Techniczne aspekty ochrony przepięciowej w maszynach

Poprawne działanie urządzeń automatyki oraz układów energoelektronicznych wymaga spełnienia podstawowych warunków w odniesieniu do:

• Warunków środowiskowych, w którym mają pracować
• Jakości zasilania
• Zakłóceń elektromagnetycznych

Jednocześnie zapewniając, że same nie będą wpływać negatywnie na pracę innych urządzeń, czy też stwarzać nadmiernych uciążliwości dla osób je obsługujących. Wzajemne dopasowanie i swoista koegzystencja oraz zdolność do nieprzerwanego, poprawnego funkcjonowania urządzeń elektronicznych i elektrycznych w środowisku technicznym bez wywierania negatywnego wpływu na inne urządzenia określana jest mianem kompatybilności. Zagadnienia kompatybilności elektromagnetycznej stanowią bardzo szeroki dział elektrotechniki, dlatego też w ramach niniejszego artykułu skupimy się głównie na zakłóceniach generowanych w elektromechanicznych elementach układów sterowania.

Czym jest przepięcie?

Przepięcie to wzrost napięcia powyżej poziomu maksymalnego napięcia roboczego przyjętego dla instalacji lub urządzenia elektrycznego. Przepięcia są dość powszechnym zjawiskiem fizycznym o niezwykle niekorzystnym oddziaływaniu na zainstalowane urządzenia.

Długotrwała ekspozycja lub przekroczenie parametrów wytrzymałościowych może doprowadzić do degradacji izolacji, co może skutkować uszkodzeniem lub stwarzać bezpośrednie zagrożenie dla zdrowia lub życia ludzi.  Dlatego też tak istotne jest stosowanie właściwych technicznych środków ochrony przeciwprzepięciowej. Znaczne wartości oraz częstotliwość występowania przepięć łączeniowych SEMP (ang. Switching Electromagnetic Pulse) mogą być główną przyczyną zakłóceń w pracy urządzeń, z którymi współpracują lub w pobliżu których zostały zainstalowane przekaźniki lub styczniki elektromagnetyczne.

Ponadto, bardzo często zmiany impedancji w obwodzie zasilającym, jakie towarzyszą przepięciom łączeniowym, są głównym powodem wahań napięcia oraz zmian wartości skutecznej prądu. W celu ograniczenia tego typu zjawisk zaleca się stosowanie wysokiej klasy zasilaczy lub filtrów, które gwarantują właściwą jakość napięcia mimo znacznego odkształcenia parametrów sieci, z której same są zasilane.

Przepięcia a indukcyjność

Przepięcia łączeniowe są dość powszechnie występującym typem zakłóceń w naszych instalacjach elektrycznych. Lecz czy pomimo powszechności tego fenomenu, każdy z nas rozumie to zjawisko? Czy potrafimy sobie z nimi radzić?

W niniejszym opracowaniu przybliżymy mechanizmy powstawania przepięć łączeniowych (tzw. SEMP ang. Switching Electromagnetic Pulse). Przed wszystkim skupimy się na właściwościach fizycznych samych elementów indukcyjnych stosowanych jako główne komponenty odpowiedzialne za inicjowanie sygnałów wyjściowych w przekaźnikach, stycznikach czy elektrozaworach oraz ich bezpośredniego wpływu na sieć i zainstalowane urządzenia.

Powodem, dla którego cewka stanowi jedno z głównych źródeł przepięć, jest jej zdolność do gromadzenia energii pod wpływem przepływającego prądu elektrycznego. To właśnie ta cecha determinuje, iż w trakcie rozwarcia zestyku, przepływ prądu zostaje gwałtownie przerwany, a zgromadzona energia w postaci napięcia samoindukcji, którego kierunek jest przeciwny w stosunku do uprzednio przyłożonego, stara się w dalszym ciągu podtrzymać przepływ prądu. W tym przypadku cewka przekaźnika, zaworu, czy uzwojenie nieobciążonego silnia staje się źródłem napięcia o przeciwnym kierunku, które inicjuje i podtrzymuje palenie się łuku elektrycznego w przestrzeni miedzystykowej.  Zjawisko to w analogiczny sposób przebiega zarówno w obwodach prądu stałego, jak również prądu przemiennego.

Rys.1.  Schemat obrazujący mechanizm powstawania napięcia samoindukcji w cewce stycznika 24 VDC. [kliknij poniższy obrazek, aby zobaczyć jego powiększenie]

Techniczne środki ograniczające zjawiska przepięciowe

Dyrektywy Kompatybilności Elektromagnetycznej EMC 2014/30/UE i Niskonapięciowa LVD 2014/35/UE nakładają na producentów, importerów oraz dystrybutorów sprzętu elektrotechnicznego obowiązek zapewnienia prawidłowego funkcjonowania urządzeń przez spełnienie następujących punktów:

• Zapewnienie wysokiego poziomu ochrony zdrowia i bezpieczeństwa osób, zwierząt oraz mienia, przy jednoczesnym zagwarantowaniu wysokiej funkcjonalności.
• Zakłócenia elektromagnetyczne generowane przez urządzenie nie mogą przekraczać poziomu powyżej, którego mogłoby dość do niedopuszczalnego pogorszenia pracy innych aparatów.
• Posiadanie pewnego poziomu odporności pozwalającego na niezakłócone funkcjonowanie w środowisku przemysłowym.

W przypadku urządzeń oferowanych jako gotowe do stosowania zwykle wystarczy zainstalować oraz użytkować je właściwie z wytycznymi podanymi przez producenta. Sytuacja nieco zmienia się w przypadku maszyn zawierających komponenty pochodzące od różnych producentów.

W tej sytuacji istotnych danych dostarcza norma PN-EN 60204-1. Zharmonizowana z Dyrektywą Maszynową MD 2006/42/WE i z Dyrektywą Niskonapięciową LVD 2014/35/UE. Norma PN-EN 60204-1 stanowi główną wykładnię dotyczącą wyposażenia elektrycznego maszyn. W trakcie projektowania oraz wykonawstwa maszyny należy zapewnić kompatybilność elektromagnetyczną poprzez odpowiednie zestawienie komponentów i właściwą koordynację technicznych środków ochrony zdolnych eliminować przepięcia łączeniowe jak najbliżej źródła ich występowania. W tym przypadku będą to tłumiki przepięć w wykonaniu:

• Warystor
• Dioda
• Układ RC

Warystor

Warystor jest rezystorem o nieliniowej charakterystyce prądowo-napięciowej, którego rezystancja maleje wraz ze wzrostem przyłożonego napięcia. Kolejną osobliwą cechą, jaka wyróżnia warystor, jest rezystancja sięgająca giga omów dla małych wartości prądów oraz niska rezystancja, jaką przyjmuje w stosunku do dużych prądów.

Ta własność powoduje, że w przypadku zadziałania znacznym zmianom prądu płynącego przez warystor odpowiada niewielka zmiana napięcia. Warystor odprowadza „lawinowo” energię z układu w chwili, gdy zostanie przekroczone napięcie zadziałania. Maksymalny poziom fali udarowej, jaka jest zdolna do ograniczenia przez warystor, uzależniony jest od poziomu napięcia zadziałania przy przekroczeniu, której warystor „przewodzi”.

Warystory stosuje się jako elementy ograniczające zarówno w układach prądu stałego, jak i przemiennego. Jeśli układ, w którym zainstalowany jest warystorowy tłumik, zasilany jest bezpośrednio z sieci energetycznej, wówczas warystor chroni cewkę przekaźnika lub stycznika przed przepięciami pochodzącymi z sieci zasilającej.

Zabezpieczenie warystorowe znajduje zastosowanie zarówno w obwodach prądu stałego, jak i przemiennego. Warystor to jeden z najlepszych obecnie stosowanych elementów w układach ochrony  przeciwprzepięciowej. Wyróżnia się bardzo szybkim ograniczaniem fali udarowej napięcia oraz zdolnością do odprowadzania znacznych prądów udarowych. Jednak nie jest on pozbawiony wad. Skutki termiczne, starzenie, wilgoć czy działanie wyższych harmonicznych może powodować stopniową degradację, a tym samym prowadzić do powstania niebezpiecznych upływności.

Zalety:

• Zdolność do szybkiego ograniczania fali udarowej napięcia
• Zdolność do odprowadzania znacznych wartości prądów udarowych
• Uniwersalność, możliwość stosowania w układach AC/DC

Wady:

• Zjawiska starzeniowe (upływność)
• Wrażliwość na wilgoć, znaczne temperatury oraz wyższe harmoniczne

Układy RC

Zastosowanie dwójnika RC jest jednym z podstawowych środków ograniczania przepięć oraz stromości ich narostu. Dodatkowa pojemność w postaci dołączonego kondensatora powoduje, że energia zgromadzona w elementach indukcyjnych w czasie wyłączenia powoduje powstanie oscylacji napięcia, które stopniowo samoczynnie jest tłumione. W celu eliminacji przepięć o niewielkich wartościach, lecz stromym czole narostu fali udarowej, stosuje się dwójnik RC sprzężony z warystorem. Układy RC znajdują szerokie zastosowanie w urządzeniach o niewielkich mocach znamionowych.

Zalety:

• Niski koszt
• Dobre parametry ograniczania przepięć

Wady:

• Długi czas powrotu styku przekaźnika wywołany oscylacjami napięcia
• Możliwość stosowania wyłącznie w urządzeniach o relatywnie małych mocach znamionowych, takich jak cewki napędów, łączniki, układy elektroniczne

Rys.2. Piki napięcia powstające podczas wyłączania cewki stycznika w przypadku stosowania (zielony) i niestosowania tłumików. [kliknij poniższy obrazek, aby zobaczyć jego powiększenie]

Diody gaszące

Kolejnym równie popularnym technicznym środkiem ograniczania przepięć łączeniowych są diody gaszące. Zainstalowana równolegle względem zacisków cewki dioda w czasie załączenia spolaryzowana jest zaporowo, natomiast podczas wyłączenia, na skutek działania napięcia samoindukcji zostaje spolaryzowana w kierunku przewodzenia, tym samym prowadząc do jego zdławienia.

Zalety:

• Niezwykle efektywne, nieskomplikowane oraz niedrogie rozwiązanie

Wady:

• Długi czas powrotu styku przekaźnika; możliwość stosowania wyłącznie w obwodach prądu stałego

Podsumowanie:

Zagadnienie kompatybilności oraz zakłóceń elektromagnetycznych w instalacjach oraz urządzeniach elektrycznych jest bardzo szerokie. W artykule poruszono jedynie ułamek ogólnego problemu absolutnie nie wyczerpując go w pełni. Postaramy się sukcesywnie powracać do tematu.

Oferta Murrelektronik

Firma Murrelektronik jako wiodący lider w zakresie komponentów dedykowanych eliminacji wpływu przepięć łączeniowych, posiada szeroką ofertę rozwiązań gasików. Wieloletnie doświadczenie oraz wysiłek, jaki wkładamy, aby zapewnić Państwa aplikacjom najwyższy poziom bezpieczeństwa oraz funkcjonalności, jest dla nas największą wartością. W naszej ofercie dostępne są tłumiki przepięć w różnych wariantach montażowych:

• W złączach zaworowych
• W gniazdach styczników
• Bezpośrednio w punktach przyłączeniowych silników indukcyjnych
• Tłumiki

Literatura:

 Markiewicz H.: Instalacje elektryczne. Wyd.4 uakt.WNT, Warszawa 2002.

 Markiewicz H.: Urządzenia elektroenergetyczne, WNT, Warszawa 2001.

PN-EN 61000-3-2. Kompatybilność elektromagnetyczna. Dopuszczalne poziomy. Dopuszczalne poziomy emisji harmonicznych prądu(fazowy prąd zasilający odbiornika £16 A). PKN 1997.

Norma PN-EN 60204-1:2018-12 „Bezpieczeństwo maszyn – Wyposażenie elektryczne maszyn – Część 1: Wymagania ogólne"

Autor: Adam Kralewski, Doradca Techniczno-Handlowy Murrelektronik