Použití RCD s měniči frekvence

Jak vybrat správný RCD pro použití s měniči frekvence a vyhnout se tak nežádoucímu vypínání a dosáhnout maximální doby nepřetržitého provozu?

Úvod

Konstruktéři strojů jsou pod neustálým tlakem nabízet sofistikovanější a energeticky účinnější stroje o větším výkonu. Stále oblíbenější volbou je použití měničů frekvence k regulaci rychlosti pohonů. Přestože je tento postup efektivní, může vést k vypínání nebo úplné ztrátě ochranné funkce, jestliže není instalován vhodný typ proudového chrániče (RCD). Řešit soulad měničů frekvence a RCD je nezbytné pro chod strojů, které v sobě spojují energeticky účinné řízení motoru s největší možnou ochranou zařízení i obsluhy.

Úspěšnost tohoto řešení spočívá v detailním porozumění funkci měniče a RCD a jejich vzájemnému působení. Správný výběr RCD závisí na místě vzniku reziduálních proudů generovaných měniči a zároveň na amplitudě, tvaru vlny a frekvenci komponent.

Základy elektrického pohonného systému a měniče frekvence

Plynulá změna rychlosti může výrazně zlepšit funkčnost pohonu systému. Využití frekvenční modulace vede díky nastavení konzistentní proměnné rychlosti k vysoké přesnosti polohy. Tato technika však může způsobovat nadměrné svodové proudy nejen při poruše, ale i během běžného provozu.

Jestliže vznikne nerovnováha fází střídavého proudu, nebo je-li zapojen velký počet pohonů, mohou být generovány stejnosměrné i střídavé svodové proudy o frekvencích v řádu MHz. Tyto proudy mohou přesahovat 100 mA, což stačí k vyvolání nežádoucího vypínání RCD.

Měniče frekvence upravují dodávku síťového napětí pomocí usměrňovacích můstků. Toto stejnosměrné napětí je vyhlazeno před střídačem modulujícím výstupní napětí, jehož úroveň a frekvenci lze měnit.

Všeobecně, když svodový proud roste, vyzařované kapacitní rušení a vysokofrekvenční vedená rušivá napětí jsou snížena. To vede k situaci, že projektanti někdy dovolí navýšit svodové proudy pro snížení úrovně vysokofrekvenčního rušení.

RCD, které mohou být použity s měniči frekvence

Není možné vypočítat, kolik pohonů může být instalováno za RCD bez způsobení nežádoucího vypínání, protože kvalita instalace má podstatný vliv na velikost svodového proudu. Avšak obecně by mělo platit, že ve správně instalovaném systému mohou být za RCD instalovány nejvýše tři měniče frekvence.

RCD typu F jsou určeny pro aplikace jednofázových měničů a zajišťují přiměřenou ochranu při poruše uzemnění související s harmonickými vlnami generovanými měničem a současně zvyšují odolnost proti nežádoucímu vypínání.

Tyto RCD mají stejný rozsah ochrany a funkcí jako RCD typu A a rozpoznávají také sinusové střídavé proudy i pulzující stejnosměrné proudy. RCD typu F díky funkci navíc poskytuje lepší úrovně bezpečnosti a stabilitu systému v porovnání s RCD typu A v aplikacích s jednofázovým měničem frekvence.

RCD typu B umějí detekovat sinusové střídavé proudy, pulzující stejnosměrné proudy a hladké stejnosměrné proudy vznikající při poruchách, díky čemuž jsou vhodné pro různé aplikace, a jsou navrženy pro použití v 50/60Hz třífázových systémech. Pro proudové chrániče typu B jsou stanoveny také podmínky aktivace pro proudy vznikající při poruchách s různými frekvencemi – až 1 kHz.

RCD typu Bfq splňují požadavky na typ B (IEC/EN 62423) a jsou určeny pro obvody, které zahrnují měniče frekvence pro pohony s regulovanými otáčkami. Mají zvláště uzpůsobené aktivační křivky definované do 50 kHz a jsou určeny pro zamezení falešných alarmů. Tyto křivky vykazují sníženou citlivost na svodové proudy o vyšších frekvencích.

RCD typu B+ splňují požadavky normy VDE 0664-400 a vyznačují se frekvenční aktivační odezvou definovanou až do 20 kHz. Jejich maximální aktivační proud při vyšších frekvencích je omezen na 420 mA. Poskytují tedy vynikající ochranu před případným vznikem požáru vyvolaným poruchou uzemnění v aplikacích s elektronicky řízenými pohony.

Nezapomeňme, že když skrz RCD prochází složitý tvar vlny proudu, RCD přepne i v případě, že pouze jediná frekvence dosáhne aktivační křivky, protože aktivační proud RCD je stanoven právě na 50/60 Hz.

Obr. 1. Digitální proudový chránič

RCD typu B, Bfq a B+ (do 63 A) jsou standardně vybaveny digitálními RCD, které mají dvě rozhodující výhody při použití s měniči frekvence. Zaprvé, digitální RCD jsou opatřeny diodami LED indikujícími svodové proudy. To pomáhá uživateli sledovat, zda je svodový proud hraniční (obr. 1). Za druhé, mají lepší přesnost, která umožňuje dosáhnout úrovně vypínání RCD blíže ke 100 % I_Δn. Ve výsledku se lze vyhnout předčasnému vypnutí.

RCD typu F, B, Bfq a B+ všeobecně zlepšují dostupnost systému, protože jsou vysoce odolné proti nežádoucímu vypínání (odolnost proti rázovému proudu ≤ 3 kA a vypínání s prodlevou).

Nástroje pro podporu projektování

Společnost Eaton jako všestranný dodavatel nabízí kompletní řešení od vstupu střídavého napětí až k motoru včetně ochrany proti zkratu a přepětí, tlumivky, sinusového filtru a všech nezbytných systémových komponent pro energeticky účinné řízení motoru a jeho ochranu. Dále konstruktérům strojů zjednodušuje výběr vhodného vybavení pro jejich aplikaci.

Výběrová pomůcka PowerXL™ Selection Aid (obr. 2) poskytuje jednoduché on-line plánování řešení a konstruktérům pomáhá rychle vybrat měnič frekvence potřebný pro danou aplikaci a příslušné spínací a ochranné prvky, tlumivky a filtry s odpovídajícími typy a objednacími čísly.

Tento nástroj konstruktérům také pomáhá vybrat správný typ RCD. Podle zvoleného měniče frekvence pomůcka doporučí správný typ a velikost (RCD nebo MCCB s RCD jako zásuvným blokem). Konstruktéři musejí pouze určit požadovaný cíl ochrany a podle toho bude použit 30mA RCD pro dodatečnou ochranu, nebo 300mA RCD pro ochranu při poruše.

Obr. 2. Konfigurátor měničů frekvence

Další informace o tomto nástroji lze najít na: www.eaton.eu/config/powerxl.

Závěr

Pro udržení konkurenceschopnosti musejí být konstruktéři strojů schopni navrhnout harmonizované řešení RCD a pohonů, které zaručí nejlepší možnou úroveň ochrany spolu s energeticky účinným řízením motoru. Protože životní cykly produktů se neustále zkracují, na konstruktéry a společnosti je vyvíjen stále větší tlak ohledně nepřetržitého zvyšování účinnosti pohonů a produktivity.

Pro vyřešení těchto výzev musejí společnosti neustále optimalizovat své procesy, zkracovat čas a snižovat náklady ve fázích návrhu, vývoje, provozu a optimalizace svých automatizačních systémů.

Řešení s harmonizovaným RCD a měničem frekvence poskytne konstruktérům strojů další konkurenceschopný prvek pro návrh vybavení, který jejich koncovým zákazníkům zkrátí dobu prostoje ve výrobě a sníží provozní náklady. Se správně zvoleným produktem nepřibude k jejich standardnímu návrhu žádné riziko.

Odborná studie je dostupná ke stažení na webových stránkách: www.eaton.eu/rcd-drives.

---

Vyšlo v časopise Elektro č. 6/2017 na straně 40. 
Tištěná verze – objednejte si předplatné: pro ČR zde, pro SR zde.
Elektronická verze vyšlých časopisů zde.