Opretholdelse af elektrisk strømkvalitet inden for automatiserede systemer

Som beskrevet i en tidligere DigiKey-artikel om detaljerne i dårlig strømforsyning, er der et halvt dusin problemer med strømkvaliteten (inklusive spændingsstød, afbrydelser, frekvens ustabilitet og støj), der kan opstå som følge af udsving i det lokale elnet. Yderligere komplicerende ting er, at variationer også kan stamme fra hvert stykke elektrisk drevet automatiseringsudstyr. Heldigvis bugner komponenter for at løse sådanne problemer med konsistens med elektrisk strøm. Disse strømforsyninger og andre strømkomponenter får maskiner til at yde sit bedste og forhindrer maskiner i at have en negativ indvirkning på det lokale elnet.

Figur 1: Dette PULS CP-serie enfaset strømforsyning monteres på DIN-skinne så almindeligt i industriel automatisering. Funktionerne inkluderer høj immunitet over for transienter og strømstød samt lav EMI, en DC-OK-relækontakt, 20 % udgangseffektreserver (dækket senere i denne artikel) og minimal stigning i startstrømmen. Den specielt belagte strømforsyning udfører også aktiv effektfaktorkorrigering eller PFC-funktioner. (Billedkilde: EE World)

De to hovedtyper af strømkvalitetsproblemer, der opstår inden i udstyret, er støj og harmoniske forstyrrelser.

Elektrisk støj i elektrisk strøm refererer til højfrekvente spændingsvariationer. Høj frekvens er relativ - men angiver altid frekvenser væsentligt højere end systemets AC-frekvens. Set i tidsdomænet skal en AC fremstå som en glat sinusformet bølge. Støj gør bølgen ujævn og ru.

Der er altid noget støj i maskinens elektriske forsyninger forårsaget af modstanden fra de involverede ledende ledninger. Sådan støj kaldes termisk støj og er generelt en ubetydelig forstyrrelse. Mere signifikant og potentielt skadelig støj er forårsaget af lokale belastninger såsom svejsere og elektriske motorer. Støj fra sådanne komponenter og systemer kan ofte være vanskelige at kvantificere - og udgør den største risiko for at få det berørte udstyrs underkomponenter til at blive overophedet, slid og endda fejle.

Elektriske harmoniske er spændings- eller strømforstyrrelser ved frekvenser, der er heltalsmultipler af systemets AC-frekvens. De er forårsaget af ikke-lineære belastninger såsom ensrettere, computerforsyninger, fluorescerende belysning og visse typer elektriske motorer med variabel hastighed. Strøm harmoniske tendensere til at være større end harmoniske fra spænding og faktisk tendensere til at være sidstnævnte.

Figur 2: Harmoniske bølgeformer er frekvensheltalsmultipler af grundlæggende bølgeformer, som (i elektriske elsystemer) kan kombineres med den grundlæggende bølgeform og forårsage problemer. Harmoniske stammer typisk fra en del elektrisk belastning eller inden i en monteret maskine. (Billedkilde: Design World)

Disse elektriske harmoniske (på grund af den måde, hvorpå de forsager opvarmning) kan dramatisk forringe effektiviteten og levetiden for elmotorer. De kan også forårsage vibrationer og drejningsmoment pulsationer i den mekaniske ydelse fra elektriske motorer, hvilket forkorter levetiden for komponenter til kraftoverførsel, der er integreret i motorerne - især de akselbærende lejer.

Nøgleparametre for elsystemet

To vigtige specifikationer for strømforsyninger inkluderer effektfaktor og ventetid.

Effektfaktor er et dimensionsløst forhold, der bruges til at beskrive forskellen mellem ægte effekt og tilsyneladende effekt i AC-anlæg. Tilsyneladende effekt er kombinationen af den sande effekt og den reaktive effekt. Reaktiv effekt hentes fra netværket, gemmes et øjeblik og returneres derefter uden at blive forbrugt. Dette skyldes typisk induktive eller kapacitive belastninger, hvilket fører til, at strømmen og spændingen er ude af fase. Reaktiv effekt øger belastningen på distributionssystemer, reducerer strømkvaliteten og fører til højere energiregninger.

Ideelt set har et system en effektfaktor på 1 - hvilket betyder, at der ikke er nogen reaktiv effekt i systemet. Design med effektfaktorer under 0,95 medfører øget belastning på distributionssystemet og kan medføre reaktiv effekt.

Figur 3: Her er vist en TML 100C Serie, 85-100 Watt AC/DC-strømmodul fra Traco Power. Aktiv effektfaktorkorrektion (PFC) sikrer en effektfaktor, der er bedre end 0,95 (ved 230 V_AC) og bedre end 0,99 (til 115 V._AC). (Billedkilde: Traco Power)

Ventetid er hvor længe en strømforsyning kan fortsætte med at levere strøm inden for den specificerede spænding efter et strømafbrydelse. Overvej tilfældet med uafbrydelig strømforsyning (UPS) og generatorer - typer backup-strøm, der bruges til at sikre kontinuitet i automatiserede operationer under blackouts og brownouts. Som beskrevet mere detaljeret i denne artikels sidste afsnit skal en UPS levere strøm i enhver betydelig periode. Men afhængigt af UPS-designet kan disse indføre en forsinkelse på op til 25 ms mellem et strømforsyningssvigt og UPS-initieringen af strømforsyningen.

Strømforsyningens holdetid giver strømforsyningen mulighed for at bygge bro over dette hul, hovedsageligt ved hjælp af strøm, der er lagret i kondensatorer. Faktisk har switch-mode strømforsyninger tendens til at have længere holdetid end lineære strømforsyninger på grund af deres højere spændingskondensatorer.

Andre funktioner til løsning af maskininducerede strømproblemer

Jordforbindelse, isolering og filtrerede strømomformere udgør grundlaget for en kvalitetsstrømforsyning.

Jordforbindelse: Korrekt jordforbindelse er afgørende for, at en strømforsyning fungerer korrekt. Det giver en referencespænding (hvorfra alle andre spændinger måles) og en returvej for elektrisk strøm. Læs DigiKey-artiklen Hvad du behøver at vide om jordfejlsensor og beskyttelse for mere om dette emne.

Isolation: Selvom ikke-isolerede strømforsyninger kan være mere energieffektive og kompakte, beskytter isolering mellem indgangs- og udgangsspændingen mod farlige spændinger, der passerer til udgangen i tilfælde af komponentfejl. Isolering kan også være påkrævet for at beskytte operatører mod farlige spændinger eller for at beskytte udstyr mod transienter og svulmer.

Former for isolering inkluderer:

• Fysisk isolering mellem komponenter
• Induktiv kobling gennem en transformer - effektomformere, der ændrer spændingen i et elsystem
• Optiske koblinger - som er bedst egnede til signaloverførsel mellem forskellige dele i et elsystem, samtidig med at der sikres et meget højt niveau af isolering

Figur 4: Strømforsyninger fungerer ofte som konvertere til enten 1) at ændre en AC-kildes spænding eller frekvens eller 2) rette eller på anden måde konvertere AC til DC. Eksempel: Denne 48-V 400-W AC/DC-pulsfrekvensmoduleret (PFM) konverter fra Vicor Corp. har integreret filtrering og forbigående overspændingsbeskyttelse. Én advarsel: Vicor Integrated Adapter (VIA) -konverter accepterer kun input fra en ekstern, ensrettet sinusformet AC-kilde - med en effektfaktor, der opretholdes af modulet. Overtoner overholder IEC 61000-3-2, og intern filtrering muliggør overholdelse af gældende bølge- og EMI-krav. (Billedkilde: Vicor Corp.)

Elektriske filtre og overspændingsundertrykkelse: Overspændingsundertrykkelse fjerner transienter og svulmer og beskytter elektrisk udstyr mod virkningerne af disse overspændingsforhold. I modsætning, elektriske filtre udjævne systemets spænding for at fjerne støj og harmoniske. Læs om filtre på industrielle strømforsyninger, der bruges i store fly (med 400 Hz elektriske kilder) i digikey.com-artiklen Strømforsyning ved en 400 Hz kilde. Eller overvej en anden elektrisk filtertype, der er særlig almindelig i automatiserede installationer nær anvendelsesstedet - LC-filtre - som supplement til motordrev. LC-filtre er en type resonanskredsløb (også kaldet et tunet kredsløb) med en induktor L og en kondensator C til at generere output ved en indstillet frekvens. LC-filtre til motorer tjener normalt formålet med at konvertere et drevs rektangulære PWM-udgangsspænding til en glat sinusbølge med lav rippel. Fordele inkluderer forlængelse af motorens levetid gennem undgåelse af høj dv/dt, overspænding, opvarmning og hvirvelstrømstab.

Figur 5: Dette er en Schaffner EMC Inc. LC sinusbølgefilter for at hjælpe motordrev med at levere glatte sinusbølger i tilsluttede motorviklinger uden spændingsudfald. Filtret tillader også installationer med længere kabellængder. (Billedkilde: Schaffner EMC Inc.)

Overspændingsbeskyttere fungerer enten ved at blokere eller kortslutte strøm - eller ved at kombinere overspændings- og kortslutningsforanstaltninger.

Overspændingsbeskyttelse via blokering: Strøm kan blokeres med induktorer, der dæmper pludselige strømændringer. Imidlertid er de fleste overspændingsbeskyttere korte, når der opstår overspænding, og omdirigerer strømmen tilbage til strømfordelingslinierne, hvor den spredes af modstand i kredsløbets ledninger.

Overspændingsbeskyttelse via kortslutning: Hurtig kortslutning (udløst når spænding overstiger et indstillet niveau) udføres med et gnistgab, et afgangsrør eller en halvlederindretning. Kun sjældent (under store eller meget lange overspændinger) smelter overspændinger overspændingsbeskyttelsens kraftledninger eller interne komponenter. Kondensatorer kan også dæmpe pludselige spændingsændringer.

Nøglespecifikationer for overspændingsbeskyttere inkluderer fastspænding, responstid og energivurdering. Clamping-spændingen - også kendt som gennemgangsspænding - er den maksimale spænding, der må passere gennem overspændingsbeskytteren. Det er typisk for 120 V-enheder at have en fastspænding på 220 V. Energiklassificeringen (typisk i joule) er den maksimale effekt, der kan absorberes, før komponenter i overspændingsbeskyttelsen brænder ud og fejler.

En vigtig, men ofte overset specifikation for overspændingsbeskyttere, er, hvad der sker, når overspændingsbeskytteren svigter. Hvis en overspænding overstiger beskytterens energiklassificering, og interne underkomponenter fejler, vil beskyttelsen ikke længere være i stand til at beskytte mod yderligere overspændinger. Men dette betyder ikke, at strømmen er afbrudt: nogle overspændingsbeskyttere (såsom nogle designet til at beskytte serveren eller anden elektronisk hukommelse) vil fortsætte med at levere strøm efter fejl. Den eneste indikation på, at overspændingsbeskyttelse ikke længere eksisterer, kan være et advarselslys. Andre overspændingsbeskyttere reducerer faktisk strømmen eller reducerer strømoverførslen, når de fejler.

UPS'er supplerer generatorer i kritiske applikationer

UPS'er og generatorer til backup-strøm sikrer kontinuitet i operationer under blackouts og brownouts. UPS'er bruger batterier og er typisk designet til at give strøm i perioder på et par minutter til et par timer. Generatorer bruger en motor til at generere strøm i længere perioder, kun begrænset af det tilgængelige brændstof.

UPS'er giver øjeblikkelig reaktion på strømafbrydelse, hvilket sikrer, at strømforsyningen er uafbrudt. Generatorer har derimod en opstartstid på mindst flere sekunder. Til applikationer, hvor der kræves kontinuerlig strøm, skal en UPS kombineres med en generator for at levere strøm, mens generatoren starter.

Figur 6: Denne 24 V_DC 5 A uafbrydelig strømforsyning (UPS) monteres på DIN-skinne og giver op til 25 minutters backup-effekt ved fuld belastning. (Billedkilde: Phoenix Contact)

UPS'er beskytter udstyr mod strømafbrydelser. Offline eller spændings- og frekvensafhængige UPS'er er de mest omkostningseffektive, men har to store mangler:

• Under normale forhold sender offline UPS'er strøm lige forbi batteriet til udgangen. Når UPS-kredsløbet registrerer en strømafbrydelse, forbinder en switch batteriet til udgangen via en inverter. Dette betyder, at strømmen kan afbrydes med så meget som 25 msek.
• Offline UPS'er giver også ringe eller ingen beskyttelse mod andre problemer med strømkvaliteten som f.eks. Overspænding og støj.

I modsætning hertil fungerer en linje-interaktiv eller spændingsuafhængig (VI) UPS i det væsentlige på samme måde som en spændings- og frekvensafhængig UPS, men den har en ekstra spændingsstabilisator for at forbedre udgangskvaliteten under normal drift. Sådanne systemer udviser stadig en skiftetid, hvor strømmen afbrydes - men det er normalt kun 5 msek eller deromkring, hvilket ligger godt inden for de fleste strømforsyningers holdetid.

At tage strømforsyningens sofistikering et skridt videre for at yde den største beskyttelse er online UPS'er, også kendt som spændings- og frekvensuafhængige UPS'er. I UPS'er er belastningen ikke direkte forbundet med strømforsyningen, men trækkes altid fra systembatteriet, som kontinuerligt oplades af strømforsyningen. Strømforsyningen omdannes til batterispænding og udbedres til DC, så den kan oplade batteriet. Strøm fra batteriet inverteres derefter for at producere AC og forstærkes af en anden transformer til netspænding. Dette betyder, at strømkvalitetsproblemer i forsyningen ikke påvirker output, og der gives meget høje niveauer af strømkvalitet og beskyttelse. Imidlertid resulterer det også i betydeligt lavere energieffektivitet og højere UPS-omkostninger på forhånd.

For alle undtagen de mest følsomme og kritiske belastninger er en offline UPS kombineret med en strømforsyning med tilstrækkelig hpoldetid et bedre valg.

Konklusion

At bestemme et designs krav til strømkvalitet er det første skridt til at forhindre nedetid og vedligeholdelsesomkostninger fra dårlig strøm, elektrisk støj og harmoniske. Disse krav varierer betydeligt afhængigt af maskindesignet og dets funktioner. Når først disse parametre er defineret, kan designteknikere specificere strømforsyninger korrekt med filtre, overspændingsundertrykkelse, backup strøm og strømforsyning. Dette kan i høj grad forbedre pålideligheden af automatiseret udstyr.