Upprätthålla effektkvaliteten i automatiserade system

Som det beskrivits i en tidigare DigiKey-artikel om detaljer kring smutsig nätström, det finns ett halvt dussin energikvalitetsproblem (inklusive spänningssvängningar, avbrott, frekvensinstabilitet och bullebrus) som kan uppstå på grund av fluktuationer i det lokala elnätet. Det komplicerar saken ytterligare att variationer också kan härröra från varje enskild del av eldriven fabriksutrustning. Lyckligtvis finns det gott om komponenter för att åtgärda sådana problem rörande konsekvent eleffekt. Dessa elförsörjningar och andra kraftkomponenter gör att maskiner kan fungera som det är tänkt och förhindrar att maskiner påverkar det lokala elnätet negativt.

Figur 1: Denna 1-fas-strömförsörjning i PULSCP-serien monteras på DIN-skena som vanligt i industriella anläggningar. Funktionerna inkluderar hög immunitet mot transienter och strömavbrott samt låg elektromagnetisk strålning, en DC-OK-reläkontakt, 20 % utgångseffektreserv (beskrivs senare i denna artikel) och minimala spikar från inrusningsströmmar. Den specialbeskiktade strömförsörjningen utför också aktiv effektfaktorkorrigering (PFC). (Bildkälla:EE World )

De två huvudtyperna av elkvalitetsproblem som uppstår i utrustningar är brus och harmoniska störningar.

Elektriskt brus i eleffekten avser högfrekventa spänningsvariationer. Högfrekvent är ett relativt begrep - men det syftar alltid frekvenser betydligt högre än systemets växelströmsfrekvens. Visat i tidsdomänen bör en växelström se ut som en jämn sinusformad våg. Brus gör vågen hackig och grov.

Det finns alltid något brus i maskinens elförsörjning som orsakas av resistansen i de ledningarna. Sådant brus kallas termiskt brus och är i allmänhet en försumbar störning. Mer betydande och potentiellt skadligt brus orsakas av lokala laster som svetsaggregat och elmotorer. Brus från sådana komponenter och system kan ofta vara svårt att kvantifiera, och det utgör den största risken att påverkade underkomponenter i utrustning överhettas, slits eller t.o.m. går sönder.

Elektriska övertoner är spännings- eller strömstörningar vid frekvenser som är heltalsmultiplar av systemets växelströmsfrekvens. De orsakas av icke-linjära laster som likriktare, datornätaggregat, lysrör och vissa typer av elmotorer med variabel hastighet. Strömövertoner tenderar att vara större än spänningsövertoner och tenderar faktiskt att driva de senare.

Figur 2: Harmoniska vågformer är frekvensheltalsmultiplar av någon grundvågform som (i elkraftsystem) kan kombineras med grundvågformen och orsaka problem. Övertoner kommer vanligtvis från någon elektrisk last eller i en ansluten maskin. (Bildkälla: Design World)

Dessa elektriska övertoner (som härrör från hur de inducerar värmeproduktion) kan dramatiskt försämra elmotorernas verkningsgrads och livslängd. De kan också orsaka vibrationer och vridmomentpulser i elmotorns mekaniska utgång, vilket förkortar livslängden för de kraftöverförande komponenter som är integrerade i motorerna - särskilt de axelbärande lagren.

Viktiga effektsystemparametrar

Två viktiga specifikationer för strömförsörjningar inkluderar effektfaktor och hålltid.

Effektfaktor är ett dimensionslöst förhållande som används för att beskriva skillnaden mellan verklig effekt och skenbar effekt i växelströmssystem. Den skenbara effekten är resultanten av den aktiva effekten och den reaktiva kraften. Den reaktiva effekten kommer från nätverket, lagras tillfälligt och returneras sedan utan att förbrukas. Detta orsakas vanligtvis av induktiva eller kapacitiva laster, vilket leder till att strömmen och spänningen är ur fas. Den reaktiva effekten ökar lasten på distributionssystemet, minskar effektkvaliteten och leder till högre energiräkningar.

Idealiskt ska ett system att ha en effektfaktor på 1 - vilket innebär att det inte finns någon reaktiv effekt i systemet. Konstruktioner med effektfaktorer under 0,95 orsakar ökade belastningar på distributionssystemet och kan medföra reaktiva effektlaster.

Figur 3: Här visas en 85-100 watt AC/DC-modul i TML 100C-serien från Traco Power. Aktiv effektfaktorkorrigering (PFC) säkerställer en effektfaktor högre än 0,95 (för 230 V_AC) och högre än 0,99 (för 115 V_AC). (Bildkälla: Traco Power)

Hålltid är hur länge en strömförsörjning kan fortsätta att leverera ström inom sin specificerade spänning efter ett strömavbrott. Överväg att använda avbrottsfri strömförsörjning (UPS) och generatorer - två typer av reservkraft som används för att säkerställa kontinuitet i automationsanläggningar under strömavbrott och spänningsfall. I sista avsnittet nedan beskrivs i detalj hur en UPS behöver kunna leverera ström under en betydande period. Men beroende på UPS-konstruktionen kan detta medföra en fördröjning på upp till 25 msek mellan ett strömavbrott och att UPS:en kommer igång med strömförsörjningen.

Strömförsörjningens hålltid gör att detta gap kan överbryggas, till stor del med användning av effekt lagrad i kondensatorer. I själva verket tenderar switchade strömbrytare att ha längre hålltider än linjära strömförsörjningar till följd av deras högspänningskondensatorer.

Andra funktioner för att hantera maskininducerade strömproblem

Jordning, isolering och filtrerade kraftomvandlare utgör grunden för en strömförsörjning med hög kvalitet.

Jordning: Noggrann jordning är viktig för att en strömförsörjning ska fungera korrekt. Detta ger en referensspänning (mot vilken alla andra spänningar mäts) och en returväg för strömmen. Läs Digi-Keys artikelnVad du behöver veta om jordfelsavkänning och skydd för mer om detta ämne.

Isolering: Även om icke-isolerade nätaggregat kan vara mer energieffektiva och kompakta, skyddar isoleringen mellan ingångs- och utspänningen mot att farliga spänningar tar sig igenom till utgången i händelse av komponentfel. Isolering kan också krävas för att skydda operatörer från farliga spänningar och för att skydda utrustning från transienter och elektriska "svallvågor".

Isolationsformer inkluderar:

• Fysisk isolering mellan komponenter
• Induktiv koppling genom en transformator - effektomvandlare som ändrar spänningen i ett effektsystem
• Optiska kopplingar - som är mest lämpade för signalöverföring mellan olika delar av ett effektsystem samtidigt som de åstadkommer mycket hög isolering

Figur 4: Strömförsörjningar fungerar ofta som effektomvandlare för att antingen 1) ändra en växelströmskällas spänning eller frekvens eller 2) likrikta eller på annat sätt omvandla växelström till likström. Exempelprodukt: Denna 48 V, 400 W, AC/DC-pulsfrekvensmodulerade (PFM) omvandlare frånVicor Corp. har integrerad filtrering och transientöverspänningsskydd. Ett förbehåll: Vicor Integrated Adapter (VIA)-omvandlaren godtar endast en ingång från en extern likriktad sinusformad växelströmskälla - med en effektfaktor som upprätthålls av modulen. Övertonerna följer IEC 61000-3-2 och intern filtrering gör det möjligt att uppfylla de tillämpliga kraven på överspänningar och EMI. (Bildkälla: Vicor Corp.)

Elektriska filter och överspänningsdämpning: Överspänningsdämpning tar bort transienter och efterdyningar och skyddar elektrisk utrustning från effekterna av dessa överspänningsförhållanden. Som kontrast till detta jämnar elektriska filter ut systemspänningen för att ta bort brus och övertoner. Läs om filtren på industriella strömförsörjningar som används i stora flygplan (med 400 Hz elkällor) i artikeln på digikey.com Strömförsörjning från en 400 Hz-källa . Eller överväg en annan elektrisk filtertyp som är särskilt vanligt i automationsanläggningar nära användningsstället - LC-filter - för att komplettera motordrivningar. LC-filter är en typ av tank- eller resonanskrets (även kallad inställd krets) med en induktor L och en kondensator C för att generera en utsignal vid en inställd frekvens. LC-filter för motorer tjänar vanligtvis syftet att omvandla en frekvensomriktares rektangulära PWM-utspänning till en jämn sinusvåg med låg restrippel. Fördelarna är bl.a. längre motorlivslängd genom att undvika hög dv/dt, överspänningar, överhettning och virvelströmsförluster.

Figur 5: Detta är Schaffner EMC Inc.s LC-sinusvågfilter som hjälpa motordrivningar att mata jämna sinusvågor i anslutna motorlindningar utan spänningstoppar. Filtret möjliggör också installationer med längre motorkabellängder. (Bildkälla: Schaffner EMC Inc.)

Överspänningsskydd fungerar antingen genom att blockera eller kortsluta strömmen - eller genom att kombinera överspänningsblockering och kortslutningsåtgärder.

Överspänningsskydd via blockering: Strömmen kan blockeras med induktorer som dämpar plötsliga strömförändringar. De flesta överspänningsskydd kortsluter dock när överspänning inträffar och strömmen leds tillbaka till nätet där den absorberas av resistansen i nätets kablar.

Överspänningsskydd via kortslutning: Snabb kortslutning (utlöses när spänningen överstiger en inställd nivå) görs med ett gnistgap, ett urladdningsrör eller en halvledarkomponent. Endast sällan (vid stora eller mycket långa strömrusningar) smälter överspänningsskyddets kraftledningar eller interna komponenter. Kondensatorer kan också dämpa plötsliga spänningsförändringar.

Viktiga specifikationer för överspänningsskydd inkluderar maximal Genomsläppsspänning, svarstid och energiklassning. Genomsläppsspänningen - eller den maximala genomsläppsspänningen - är den maximala spänningen som får passera genom överspänningsskyddet. Det är typiskt för 120 V-produkter att ha en max. genomsläppsspänning på 220 V. Energiklassificeringen (vanligtvis i joule) är den maximala effekt som kan absorberas innan komponenter i överspänningsskyddet brinner upp och går sönder.

En viktig men ofta förbisedd specifikation för överspänningsskydd är vad som händer när överspänningsskyddet går sönder. Om en överspänning överstiger skyddets energiklass och interna komponenter går sönder, kommer skyddet inte längre skydda mot fler strömrusningar. Men det betyder inte att strömmen är avstängd: vissa överspänningsskydd (t.ex. vissa som är utformade för att skydda servrar eller annat elektroniskt minne) kommer fortsätta att leverera ström efter ett haveri. Den enda indikationen på att överspänningsskydd inte längre finns kan vara en varningslampa. Andra överspänningsskydd minskar verkligen effekten eller minskar kraftöverföringen när de går sönder.

UPS kompletterar generatorer i funktionskritiska anordningar

UPS-enheter och generatorer för reservkraft säkerställer kontinuitet i operationer under strömavbrott och spänningsfall. UPS-enheter använder batterier och är vanligtvis utformade för att ge ström under några minuter till några timmar. Generatorer använder en motor för att generera kraft under en längre period som endast begränsas av mängden bränsle.

UPS-enheter ger ett omedelbart svar på ett strömavbrott, vilket säkerställer att strömförsörjningen inte avbryts. Generatorer har å andra sidan en starttid på minst flera sekunder. För tillämpningar där kontinuerlig effekt krävs, måste en UPS kombineras med en generator för att leverera ström medan generatorn startar.

Figur 6: Denna 24 V_DC 5 A avbrottsfri strömförsörjning (UPS) monteras på DIN-skena och ger upp till 25 minuters reservkraft vid full last. (Bildkälla:Phoenix Contact )

UPS-enheter skyddar utrustningen mot strömavbrott. Fristående eller spännings- och frekvensberoende UPS-produkter är de mest kostnadseffektiva men har två stora brister:

• Under normala förhållanden skickar offline UPS:er ström direkt förbi batteriet till utgången. När UPS-kretsarna upptäcker ett strömavbrott ansluter en brytare batteriet till utgången via en växelriktare. Detta innebär att effekten kan brytas under så länge som 25 ms.
• Fristående UPS-enheter ger också litet eller inget skydd mot andra problem med strömkvalitet som spikar och brus.

Däremot fungerar en nätsamverkande eller spänningsoberoende UPS i huvudsak på samma sätt som en spännings- och frekvensberoende UPS, men den har en extra spänningsstabilisator för att förbättra uteffektkvaliteten under normal drift. Sådana system dras fortfarande med en övergångsperiod under vilken strömmen avbryts - men det är vanligtvis bara 5 ms eller så, vilket ligger inom hålltiden för de flesta strömförsörjningar.

Ännu ett steg inom avancerad strömförsörjning för att ge största möjliga skydd, är online-UPS-enheter, även kända som spännings- och frekvensoberoende UPS-enheter. I UPS:er är lasten inte direkt ansluten till elnätet utan tas alltid från systembatteriet, som kontinuerligt laddas av elnätet. Nätströmmen omvandlas till batterispänning och likriktas till likström så att den kan ladda batteriet. Ström från batteriet växelriktas sedan för att producera växelström och stegas upp med en annan transformator till nätspänning. Detta innebär att strömkvalitetsproblem i matningen inte påverkar produktionen och mycket höga nivåer av elkvalitet och skydd uppnås. Men det resulterar också i betydligt lägre energieffektivitet och högre investeringskostnader för UPS.

För alla utom de mest känsliga och kritiska lasterna är en fristående UPS i kombination med en strömförsörjning med tillräcklig hålltid ett bättre val.

Slutsats

Att fastställa en konstruktions krav på effektkvalitet är det första steget för att förhindra stillestånd och underhållskostnader orsakade av oren nätel, elektriskt brud och övertoner. Dessa krav varierar avsevärt beroende på maskinens konstruktion och dess funktioner. När dessa parametrar har definierats, kan konstruktörer specificera strömförsörjningar med filter, överspänningsdämpning, reservkraft och effektkonditionering. Detta kan avsevärt förbättra tillförlitligheten hos automatiserad utrustning.