Nadměrné oteplení v rozváděči aneb termické problémy pod kontrolou

 

 

 

Elektrotechnik z praxe popsal provozní situaci s rozváděči takto:

 

Dva rozváděče o rozměrech 1 000 × 750 × 300 mm (š × v × h) z lakovaného ocelového plechu (pasivní odvod tepla přes skříň podle výrobce asi 400 W) byly osazeny každý po jednom aktivním větráku o výkonu 71 m³·h^–1. Větráky byly umístěny vedle sebe na jedné řídicí skříni (obr. 1). V prostředí, ve kterém byly tyto rozváděče instalovány, byl náročný průmyslový provoz, v němž se i svařovalo (minimální požadavek na krytí je IP54).

 

Každý rozváděč obsahoval jeden měnič frekvence pro elektromotor 18,5 kW, dva měniče frekvence pro elektromotor 11 kW (obr. 2) a jeden aktivní filtr (obr. 3). Výrobce měničů frekvence uváděl tyto ztrátové výkony:

Firma stanovila, že se tyto přídavné rozváděče mají čistit s týdenní periodicitou. Při těchto činnostech bylo mj. zjištěno, že:

Na základě uvedené provozní situace formuloval elektrotechnik tyto dotazy:

U popsaných nedostatků a nepochybných známek opotřebení je patrné, že zde něco není zcela v pořádku. Protože rozváděč s měničem frekvence musí pracovat bezpečně a bezporuchově, zdá se, že v tomto případě nebylo dostatečně dbáno na obecná pravidla techniky.

 

Ztrátový výkon měničů frekvence je zčásti značný. Tento výkon se zpravidla mění na teplo, takže v mnoha průmyslových zařízeních není možné udržet kontrolu nad teplotou v rozváděči jinak než použitím chladicích agregátů. Popsaný stav větráků dává tušit, že systémy odvodu vzduchu jsou zcela přetíženy. Toto může mít obecně různé příčiny. Některé z nich jsou popsány v dalším textu.

Je-li znečištění příliš velké, doporučuje se zkusit provoz rozváděče s přetlakem. To znamená, že větrák vzduch z rozváděče nevysává, ale naopak ho do něj vhání. Větráky, které vzduch z rozváděče vyfukují ven, se nepřímo a bezděčně starají o to, že se s nasávaným vzduchem z okolí dostávají dovnitř nečistoty a prach. Vhání-li ale naopak větrák do rozváděče vzduch, je vzduch z rozváděče vytlačován ven. Díky tomu nedochází k nasávání částeček prachu a jiných nečistot. Předpokladem ovšem je vybavení větráku filtrem, popř. filtrační soustavou, kde se vzduch nasávaný z okolí čistí. Takovýto filtr je však třeba pravidelně čistit, popř. měnit. Tento účinek lze ještě zesílit tím, že se pro vzduch proudící ven z rozváděče vytvoří cílené otvory. Ty by měly být vytvořeny na více místech, aby nebyl proud vzduchu v rozváděči příliš soustředěn do jednoho místa (centra).

 

Nejlepší možností je však přímé chlazení chladicím agregátem. Nevýhodou zde ovšem zůstává finanční náročnost tohoto řešení, neboť chladicí agregát vyjde zpravidla dráž než samotný větrák. Naproti tomu tím odpadne pravděpodobně stálé a nepochybně také značně nepříjemné čištění vnitřního prostoru rozváděče. To, že je větrák přetěžován takovýmto způsobem, dává spíše tušit, že spínač nadměrné teploty měniče frekvence nedostatečně zvládá riziko přehřátí (zde je možné pochybovat také o věrohodnosti výrobce, jde-li o uvedené technické parametry).

 

Samozřejmě existují normy k tzv. kombinaci spínacích přístrojů nízkého napětí (což je technicky správné označení z hlediska norem). Nejdůležitější norma k tomuto tématu je EN 60439-1 ed. 2 (Rozváděče nn – Část 1: Typově zkoušené a částečně typově zkoušené rozváděče). V odst. 7.3 je popsána zkouška oteplení. Tab. 2 tohoto odstavce uvádí dovolené oteplení jednotlivých součástek v rozváděči. Popis zkoušky samotné se nachází v odst. 8.2.1 této normy. Ve zmíněné tab. 2 se s ohledem na elektrická zařízení umístěná v rozváděči (např. spínací a elektronické přístroje, regulátory napájecích jednotek nebo také přístroje, jako jsou měniče frekvence s filtrací) uvádí: „Podle platných ustanovení produktových norem, která platí pro jednotlivé přístroje, nebo podle údajů výrobce těchto přístrojů, s ohledem na vnitřní teplotu kombinace spínacích přístrojů.“

 

Výrobce měniče frekvence musí tedy u svých výrobků stanovit hodnotu maximální teploty skříně. Údaje o tepelném stavu rozváděče lze získat měřením teplot (např. termografickým měřicím přístrojem). Udává-li výrobce namísto toho maximální teplotu prostředí, je třeba brát zřetel i na tento údaj. Výrobce rozváděče může k tomu uvést, jak velké mohou být tepelné ztráty při daném rozdílu teplot, tj. mezi teplotou v rozváděči a teplotou okolí. Tento údaj sice ještě nemá požadovanou vypovídací schopnost, protože nejde o obecnou (aktuální) teplotu uvnitř rozváděče, ale o provozní, popř. mezní teplotu podle tab. 2 zmíněné normy. Nicméně již z tohoto údaje lze přibližně odvodit, zda zde budou předpokládané elektrické přístroje v bezpečí s ohledem na oteplení. (Za poněkud nejistý je však třeba v tomto smyslu považovat výsledek v případě použití nuceného větrání, resp. odvětrání.)

Neméně významný faktor, se kterým je nutné počítat, je elektromagnetická kompatibilita (EMC, Electro-Magnetic Compatibility). Přitom je třeba rozlišovat mezi EMC v rozváděči a v ostatních elektrických zařízeních. Jde-li o rozváděč, není asi možné stanovit paušální vymezení. Kompatibilita v tomto smyslu obecně znamená, že různá elektrická zařízení a přístroje budou v daném prostředí fungovat bezpečně. Přitom záleží na intenzitě rušivého vyzařování obvyklých zdrojů rušení (kam patří např. také měnič frekvence), jakož i na míře odolnosti proti tomuto rušení jednotlivých elektrických zařízení a přístrojů, které na tato rušení potenciálně reagují (regulátory, ochrany apod.) – tzv. rušené spotřebiče. Mezní hodnoty pro hladiny rušivého vyzařování, resp. odolnosti proti rušení, jsou popsány např. v normách EN 61000 (Elektromagnetická kompatibilita), EN 55014 (Elektromagnetická kompatibilita – Požadavky na spotřebiče pro domácnost, elektrické nářadí a podobné přístroje) a EN 55015 ed. 2 (Meze a metody měření charakteristik rádiového rušení způsobeného elektrickými svítidly a podobným zařízením). Elektrické přístroje v rozváděči musí být z tohoto důvodu voleny tak, aby nerušily ostatní přístroje a aby předpokládaný přístroj sám mohl bezporuchově fungovat. V krajním případě je třeba učinit dodatečná opatření, např. pospojování, stínění nebo odstup. Pro rušivý účinek rozváděče se všemi jeho vestavěnými prvky směrem ven existují zákonné předpisy, např. v Německu je to BImSchV (Bundes-Immissionsschutzverordnung, spolkové nařízení o ochraně před imisemi). Zvláště je třeba zde zmínit 26. nařízení (26. BImSchV) k provádění spolkového zákona o ochraně před imisemi pod názvem Nařízení o elektromagnetických polích. Jde-li o měniče frekvence, lze kromě toho najít důležitá upozornění v normě EN 61800-3 (Systémy elektrických výkonových pohonů s nastavitelnou rychlostí – Část 3: EMC-norma výrobku zahrnující specifické zkušební metody). Zda jsou splněny požadavky 26. BImSchV, popř. EN 61800-3, lze zjistit pouze měřením přímo v místě instalace (tab. 1 a tab. 2).

 

To, že elektrický přívod k motoru za měničem frekvence není proveden jako stíněný, ještě a priori neznamená nedodržení požadavků EMC (např. mohlo být dostatečné stínění přívodu k motoru vytvořeno sinusovým filtrem, který byl instalován za měničem frekvence).

Jsou-li dodrženy mezní teploty – viz ad 2, není žádný důvod ke kritice. Existují samozřejmě i jiné důvody hovořící pro dostatečně velký vnitřní prostor. Jeden z nich je ten, že musí být umožněna bezpečnost práce (např. při připojování dalších přístrojů nebo při vykonávání oprav). Má-li bezpečně fungovat nucené větrání, resp. odvětrání, musí být k dispozici také dostatečně velký prostor, aby byly vytvořeny podmínky pro ochlazování přístrojů proudem vzduchu, aniž by se i přes zapnutý větrák vytvářela tepelná centra.

Protože větrák přebírá úlohu hlídače nadměrných teplot, je zde třeba počítat s úplným výpadkem zařízení. V extrémním případě může díky tomu vzniknout požár, který by vyšel z rozváděče (a určitě by to nebyl první požár, jehož příčinou byl vypadlý větrák). Aby bylo možné takovýmto katastrofickým scénářům zabránit, je třeba předem naplánovat u tepelně citlivých zařízení v rozváděči příslušné kontrolní mechanismy.

Systém sledování teploty nepřebírá kontrolu, zda je dodržována mezní teplota. Tím by toto bezpečnostní zařízení bylo degradováno na dvoupolohový regulátor, který by měl udržovat celé zařízení na určité teplotní hladině. To by ovšem také znamenalo, že je třeba vždy počítat (totiž v případě překročení mezní teploty) s úplným výpadkem provozu měniče frekvence. Tento systém sledování teploty musí naopak začít fungovat – jak je uvedeno v odpovědi ad 4, vypadne-li např. větrák.