08 listopada 2022

Jak wybrać odpowiedni wyłącznik RCD do współpracy z przetwornicami częstotliwości? 

Zmienna prędkość obrotowa znacznie rozszerza funkcjonalność napędu. Wykorzystanie modulacji częstotliwości umożliwia osiągnięcie dużej dokładności pozycjonowania za pomocą konsekwentnej regulacji prędkości obrotowej silnika. Takie rozwiązanie może jednak powodować powstawanie nadmiaru prądów upływu. Nie tylko w przypadku usterki, ale też podczas normalnej pracy.

W przypadku asymetrii faz lub gdy podłączona zostanie znaczna liczba napędów, prąd upływowy zmienny i stały może pojawić się przy częstotliwościach w zakresie do MHz. Wartość takiego prądu może przekraczać 100 mA, co spowoduje wyzwolenie zwykłego wyłącznika różnicowpradowego o czułości 30mA.

Przetwornice częstotliwości prostują napięcie sieci zasilającej za pomocą mostków diodowych. Napięcie prądu stałego jest wygładzane przed przetworzeniem do postaci napięcia wyjściowego, które może różnić się wartością i częstotliwością.

Ogólnie rzecz biorąc, wraz ze wzrostem wartości prądu upływowego maleje emitowana interferencja pojemnościowa i przewodzone napięcie zakłóceniowe o wysokiej częstotliwości. Oznacza to, że konstruktorzy pozwalają czasem na wzrost prądu upływowego w celu ograniczenia częstotliwości radiowej zakłóceń.

Rysunek 1. Falownik serii DA1 produkcji Eaton. 

Wyłączniki RCD współpracujące z napędami o zmiennej prędkości obrotowej

Nie da się obliczyć, ile napędów można podłączyć za wyłącznikiem RCD bez jego niepożądanego załączania, ponieważ jakość wykonania instalacji ma ogromny wpływ na poziom prądu upływowego. Można jednak przyjąć ogólną zasadę, że za różnicówką mogą być podłączone maksymalnie trzy napędy, o ile instalacja została wykonana prawidłowo.

Wyłączniki RCD typu F zostały opracowane z myślą o jednofazowych falownikach, choć sprawdzą się również przy ochronie rozwiązań trójfazowych. Zapewniają wystarczającą ochronę przed porażeniem na wypadek zwarcia doziemnego spowodowanego generowaną przez falownik zawartością harmoniczną, a także ograniczają liczbę niepotrzebnych wyzwoleń wyłącznika.

Ten rodzaj wyłączników różnicowoprądowych oferuje taki sam zakres ochrony i funkcjonalności jak wyłączniki typu A. Wykrywają zarówno sinusoidalne prądy zmienne, jak i pulsujące prądy ze składową stałą. Dzięki rozbudowanej funkcjonalności i krzywej wyzwalania do 1kHz, w przypadku współpracy z falownikami, wyłączniki typu F zapewniają większe bezpieczeństwo i wyższą stabilność systemu w porównaniu z różnicówkami typu A.

Rysunek 2. Wyłącznik różnicowoprądowy serii PFIM o charakterystyce F.  

Wyłączniki RCD typu B, przystosowane do pracy w układach trójfazowych o częstotliwości 50/60 Hz, wykrywają sinusoidalny prąd zmienny, pulsujący prąd ze składową stałą oraz zakłóceniowy prąd stały o przebiegu wyprostowanym. Ponadto wyłączniki różnicowoprądowe typu B dopasowane są do prądów upływu o mieszanej częstotliwości do 2 kHz.

Wyłączniki RCD typu Bfq są zgodne z wymogami typu B (norma IEC/EN 62423), choć przewidziane są do użytku w obwodach z przetwornicami częstotliwości dla napędów o zmiennej prędkości obrotowej. Różnicówki te charakteryzują się odpowiednio poprowadzoną krzywą wyzwalania obejmującą zakres częstotliwości do 50 kHz, co pozwala uniknąć uciążliwego, błędnego załączania wyłącznika. Przebieg krzywych zdradza obniżoną czułość na prąd upływowy o wyższej częstotliwości.

Wyłączniki RCD typu B+ spełniają wymogi normy VDE 0664-400, a ich skuteczność reagowania na częstotliwość obejmuje zakres do 20 kHz. Maksymalny prąd wyłączeniowy przy wyższych częstotliwościach jest w ich przypadku ograniczony do 420 mA. To zapewnia doskonałą ochronę przed pożarami wywoływanymi przez prąd ziemnozwarciowy w układach wyposażonych w napędy elektroniczne.

Warto zwrócić uwagę, że przy złożonym kształcie fali prądowej do zadziałania wyłącznika RCD wystarczy, że wartość skuteczna prądu na jednym pasmie częstotliwości osiągnie krzywą załączania, ponieważ często prąd załączenia wyłącznika określany jest na poziomie zaledwie 50/60 Hz.

Wyłączniki RCD typu B, Bfq i B+ (do 63 A) są standardowo wyposażone w funkcje cyfrowych wyłączników różnicowoprądowych, co daje dwie kluczowe korzyści przy zastosowaniu ich z falownikami częstotliwości. 

Po pierwsze, cyfrowe wyłączniki RCD posiadają diodę LED sygnalizującą upływ prądu. To ułatwia użytkownikowi obserwowanie, czy prąd upływowy nie przekracza wartości granicznej. Po drugie, działają z dużą dokładnością, dzięki czemu wartość załączenia może być bliższa 100% IΔn. W rezultacie można uniknąć przedwczesnego załączenia wyłącznika.

Najważniejszą funkcją jest jednak wbudowany styk zwierny, który sygnalizuje przekroczenie 30%  IΔn. Ten sygnał może wykorzystać w sterowniku PLC i uruchomić prace remontowe zanim dojdzie do zadziałania zabezpieczenia.

Zasadniczo wyłączniki RCD typu F, B, Bfq oraz B+ pozwalają zwiększyć bezawaryjność systemu, posiadają zwłokę czasową (G = 10ms i S = 40ms) i mają wysoką odporność na udar co najmniej 3kA.

Rysunek 3. Wyłącznik różnicowoprądowy serii FRCdM o charakterystyce G/Bfq 

Podsumowanie

Aby nadążyć za oczekiwaniami użytkowników, konstruktorzy maszyn muszą być w stanie zaprojektować zharmonizowany układ złożony z wyłączników RCD i napędów, który zagwarantuje jednocześnie najwyższy możliwy poziom ochrony przed porażeniem i wydajne sterowanie silnikiem. Cykl życia produktów jest coraz krótszy, w związku z czym od inżynierów i przedsiębiorstw oczekuje się coraz intensywniejszego poprawiania wydajności i zdolności produkcyjnych.

Aby zachować konkurencyjność, firmy muszą nieustannie dopracowywać procesy- skracać czas i ograniczać koszty etapów projektowania, rozwoju i optymalizacji wykorzystywanych przez siebie systemów automatyki przemysłowej.

Zharmonizowany układ obejmujący wyłącznik RCD i falownik częstotliwości zapewni konstruktorom maszyn dodatkową przewagę nad konkurencją. Umożliwi skrócenie przestojów i obniżenie kosztów eksploatacji ponoszonych przez zakłady produkcyjne będące odbiorcami konstrukcji. Odpowiednio dobrane urządzenia tylko usprawnią stosowane przez nich rozwiązania konstrukcyjne.