Dlouhá cesta k inteligentním napájecím systémům

Murrelektronik a vyřešení problémů s odporem smyčky

Selektivní monitoring kanálů je důsledkem jevu, který se objevil teprve s uvedením elektronicky řízených zdrojů napájení na trh.

Když jističe nefungují

Co si představit pod pojmem „selektivní monitoring kanálů“? Odborníci, kteří strávili hodiny při odstraňování závad stroje, to moc dobře vědí. Nákladné je to zejména u složitých systémů, u kterých spínané zdroje napájení elektronicky regulují napětí a proud na výstupu. Je možné, že při zkratu nebo přetížení reagují sekundární pojistky pomaleji než jednotka zdroje, a proto tato selektivita neplatí. To vede ke kritickým situacím, jako jsou poklesy napětí, a v nejhorších případech dokonce ke vznícení kabelů. Jak je však možné, že tato ochranná zařízení nereagují? Pro odpověď je nutné se vrátit téměř o 30 let zpátky.

Přesvědčivý argument: vysoká ochrana proti zkratu

Bylo to na začátku 90. let minulého století, kdy měla nastat velká změna ve strojírenství a konstrukci zařízení spočívající v přechodu od transformátorů k elektronickým zdrojům napájení. Na počátku se pouze malá skupina lidí odvážila využívat výhody těchto nových zařízení. Regulované napětí 24 V DC a zkratová ochrana podle pevně definované charakteristické křivky zjevně zněly potenciálním uživatelům příliš dobře na to, aby to mohla být pravda!

Od té doby však byl vzestup elektronicky řízených zdrojů napájení nezastavitelný a stále více výrobců originálních zařízení chtělo těžit z jejich výhod. Navíc vysoká ochrana proti zkratu byla přesvědčivým argumentem. Jestliže v transformátorových zdrojích využívaných do té doby vznikl nezjištěný zkrat, instalace se následně přehřála a mohlo dojít i k požáru. S elektronicky řízenými zdroji si naproti tomu uživatelé kupovali moderní technologii a současně vyšší provozní spolehlivost.

Hledání zkratů mimo řídicí skříň

Jak to ale bylo se zkraty mimo spínací skříň? Výstupní strana miniaturních jističů, v praxi často kombinovaná s kontaktem pro signál vedoucí do řídicího systému, spolehlivě detekovala přetížení a zkraty v místě provozu. Proč tedy tuto formu ochrany, která byla po desetiletí vyzkoušená, nezachovat? Podle názoru mnohých uživatelů to, co bylo dobré a správné pro transformátorové napájecí jednotky, muselo logicky být pro elektronicky řízené zdroje ještě lepší! Tento nesprávný předpoklad způsobil v následujících letech stavy zoufalství u mnoha elektrikářů při odstraňování vzniklých závad. Byl-li např. příčinou této závady kabel s poškozenou izolací ve vlečném řetězu, jen jeho nalezení mohlo trvat mnoho hodin až dní.

Obr. 1. Instalované řešení Mico-Pro

Odpor smyčky jako zlo

Jak se však mohlo stát, že zdroje napájení ve spínacím režimu se všemi jejich výhodami nebyly schopné spolehlivě vybavovat miniaturní jističe? Tato otázka nejenže vyvedla výrobce elektronicky řízených zdrojů napájení z letargie, ale přivedla také dodavatele automatizačních řešení k experimentování.

Dnes již není možné zjistit, kdo mohl nakonec zvolat „heuréka“. To však až tak důležité není. Mnohem zajímavější je výsledek nespočetných testů a výpočtů, a to zejména proto, že odhalily vcelku banální příčinu toho, proč k aktivaci miniaturních jističů nedocházelo: odpor smyčky! Elektronicky řízené zdroje napájení, tak nadšeně oslavované na trhu díky tomuto odporu, prostě nedokázaly poskytovat proud potřebný k této aktivaci po dobu alespoň 100 ms.

Instruktážní videozáznam s českými titulky: https://www.youtube.com/watch?v=ay3kW69iPxo.

Výpočet odporu smyčky

Tak tedy odpor smyčky! Aby bylo možné pochopit, proč je tato nejmodernější technologie navzdory všemu tak problematická, je nutné učinit krátkou odbočku k základům konstrukce strojů a zařízení. Až do doby před 30 lety bylo běžnou praxí používat k ochraně instalací v terénu miniaturní jističe typu C. Co to znamená ve spojení se zdrojem ve spínacím režimu, je objasněno na následujícím příkladu, ve kterém je použit automatický stroj se jmenovitým proudem 6 A. Podle vzorce 14 ×I_jmen to vyžaduje vypínací proud 14 × 6 A, což při vynásobení odpovídá hodnotě 84 A. Aby však zdroj 24 V vůbec dokázal těchto 84 A zajistit, jeho odpor nesmí překročit 286 mΩ.

Že je tato hodnota odporu nereálná, lze uvést na praktickém příkladu, ve kterém se zjistí odpor smyčky senzorového kabelu délky 5 m s vodičem o průřezu 0,34 mm² . Jeho odpor se vypočítá podle vzorce R = ρ × l/S, kde je délka l vynásobena dvěma z důvodu odchozích a vratných vedení.

Když se nyní použijí jednotlivé hodnoty se zohledněním měrného odporu ρ mědi (0,017 8 Ω × mm²/m), výsledný odpor je 520 mΩ. Spolu s dalšími odpory rozvodného vedení a pramenů vodičů, jakož i s vnitřními odpory miniaturních jističů a svorek bude celkový odpor vyšší než 1,3 Ω.

Při použití ve vzorci U = R × I to znamená, že v elektronicky ovládaném 24V zdroji je možný maximální proud 18,18 A. Ten však není dostatečný pro aktivaci jističe typu C se jmenovitým proudem 6 A. Z výše uvedeného vyplývá, že by musel být nejméně 84 A.

Pro objasnění funkce miniaturních jističů a ochranných rezistorů je určen videozáznam s českými titulky: https://www.youtube.com/watch?v=7j3DgdKPTmY.

Grandiózní nástup inteligentního napájecího systému MICO

Uvědomění si skutečnosti, že spínací napájecí jednotky nedokážou zajistit požadovaný vypínací proud pro miniaturní jističe, mělo zajímavé následky. Někteří výrobci strojů a zařízení náhle začali vyvíjet aplikace se čtyřmi zdroji namísto jednoho, přičemž cílem bylo snížit následky přetížení a zkratů na minimum. V současné době jsou stále na trhu aplikace, ve kterých dvě spínací napájecí jednotky napájejí elektronické komponenty a regulátor v řídicí skříni a další dvě napájejí pohony a senzory na místě. Tento přístup je však drahý, protože vyžaduje tři elektronicky řízené zdroje napájení navíc.

Kromě dodatečných pořizovacích nákladů vyžadují tyto zdroje prostor navíc v řídicí skříni a neřeší problém. Pak by mělo větší smysl vytvořit menší jednotky se spotřebiči tak, aby při poruše nedošlo k vypnutí poloviny stroje.

Ale zpět k popisovanému příběhu.

Vypnout tak brzy, jak je nutné, ale tak pozdě, jak je možné

Společnost Murrelektronik se s těmito problémy poprvé setkala v roce 2003 a reagovala velmi rychle. Již po jednom roce vývoje představil tento výrobce z města Oppenweiler v Německu inteligentní napájecí systém MICO (Murrelektronik Intelligent Current Operator) pro aplikace 24 V DC u spínaných zdrojů a reakce na trhu byla nadšená. S tímto řešením firma uspěla při navrhování vypínacích funkcí sledovaných kanálů tak, že v případě zkratu nebo přetížení vypínají, jakmile je to nutné, avšak co možná nejpozději. Moduly, jejichž proudový rozsah je možné fixovat, se tak staly zvlášť vhodnými pro aplikace, ve kterých je nutné chránit větší počet senzorů a akčních členů s podobnými požadavky.

Obr. 2. Mico-Pro s integrovaným napájením

Štíhlý napájecí systém

Avšak selektivní monitoring kanálů byl pouze jedním z argumentů ve prospěch systému MICO. Při konstrukční šířce 72 mm bylo toto zařízení již o 36 mm štíhlejší než čtyři miniaturní jističe, každý s jedním předtím používaným signálovým kontaktem, přičemž zkušenosti ukázaly, že tento přístup jištění v kombinaci s elektronicky řízeným zdrojem vůbec nefungoval! Takže oněch 108 mm na liště DIN, která se do té doby používala, bylo tak jako tak ztrátou času.

Dále spoustu montážního času zabralo zapojení všech čtyř miniaturních jističů s odpovídajícími signálovými kontakty. Proto konstruktéři Murrelektronik navrhli systém MICO pouze s jedním společným potenciálem, ze kterého lze získat přístup ke všem jednotlivým kanálům.

Bez potřeby naddimenzovaných zdrojů

Protože návrháři firmy nebyli spokojeni s prvním nejlepším navrženým řešením, opatřili svůj inteligentní napájecí systém funkcemi „ušitými na míru“ potřebám v konstrukci strojů a zařízení již v úplně první verzi. Tyto funkce zahrnují kromě jiného i kaskádové spínací chování.

Uvedená metoda distribuuje spínací špičky, takže naddimenzované zdroje napájení již nejsou zapotřebí. Během tohoto procesu připojené kanály nabíhají online s časovou prodlevou přibližně 70 ms. Ačkoliv tento proces zabere u čtyřkanálového zařízení pouze něco málo přes 200 ms, již to stačí pro dimenzování spínaných zdrojů podle výkonu, který je aktuálně zapotřebí. To šetří místo v řídicí skříni a snižuje pořizovací náklady, protože spínací špičky jsou tím dobře kompenzovány.

MICO monitoruje miliony proudových drah

Se svými inteligentními funkcemi si systém MICO od svého uvedení na trh před šestnácti lety vysloužil důvěru mnoha výrobců strojů a zařízení na celém světě. Do konce roku 2019 bylo celosvětově realizováno 8 561 513 monitorovaných proudových drah zaručujících vysokou provozní spolehlivost v širokém rozsahu aplikací. V důsledku této enormní poptávky po „Bezpečnosti od Murrelektronik“ skupina výrobků MICO během uvedené doby úspěšně rostla a dnes nabízí řešení na míru každé aplikaci. A trh tuto univerzálnost velmi oceňuje.

Jedno řešení řídicího obvodu pro celý svět – White paper ke stažení

Murrelektronik disponuje širokou nabídkou řešení pro multinormní zdroje napájení. Tato řešení využívají standardizované výrobky, které jsou koordinovány do nejmenšího detailu a které mají četné certifikáty. To znamená, že celé řešení je navrženo tak, aby splňovalo všechny příslušné normy, a bylo je tudíž možné používat celosvětově. Bílá kniha uvádí výhody multinormních zdrojů napájení a obsahuje kompletní obvodová schémata.

White paper je dostupný ke stažení na adrese: https://www.murrelektronik.cz/cz/novinky/univerzalni-zdroje-napajeni/.