Opprettholde strømkvalitet i automatiserte systemer

Som dekket i en tidligere DigiKey-artikkel om detaljene i uren offentlig strømforsyning, er det et halvt dusin strømkvalitetsproblemer (inkludert spenningsstøt, strømbrudd, ustabil frekvens og støy) som kan oppstå fra svingninger i det lokale strømnettet. Ting som ytterligere kompliserer dette, er at variasjoner også kan stamme fra hver del av elektrisk drevet automatiseringsutstyr. Heldigvis er det rikelig med komponenter for å løse slike problemer med strømkonsistens. Disse strømforsyningene og andre strømkomponenter gjør at maskiner yter sitt beste og hindrer at maskiner har en negativ innvirkning på det lokale elforsyningsnettet.

Figur 1: Denne PULS CP-serien enfasede strømforsyningen monteres på DIN-skinnen som er så vanlig i industriell automasjon. Funksjonene inkluderer høy immunitet mot transienter og strømoverspenninger i tillegg til lavt elektromagnetisk utslipp, en DC-OK-relékontakt, 20% utgangsstrømreserver (dekket senere i denne artikkelen) og minimalt innkoblingsstrømstøt. Den spesialbelagte strømforsyningen utfører også aktive effektfaktorkorreksjons- eller PFC-funksjoner. (Bildekilde: EE World)

De to hovedtypene strømkvalitetsproblemer som oppstår innenfor utstyret, er støy og harmoniske forstyrrelser.

Elektrisk støy i elektrisk strøm refererer til høyfrekvente spenningsvariasjoner. Høy frekvens er relativ – men indikerer alltid frekvenser betydelig høyere enn systemets vekselstrømsfrekvens (AC-frekvens). Vist i tidsdomenet skal en vekselstrøm (AC-strøm) vises som en glatt sinusformet bølge. Støy gjør bølgen hakkete og ujevn.

Det er alltid noe støy i de elektriske forsyningene til maskiner, som er forårsaket av motstanden til de ledende ledningene som er involvert. Slik støy kalles termisk støy og er generelt en ubetydelig forstyrrelse. Mer betydelig og potensielt skadelig støy forårsakes av lokale laster som sveiseapparater og elektromotorer. Støy fra slike komponenter og systemer kan ofte være vanskelig å kvantifisere – og utgjør den største risikoen som forårsaker at berørte utstyrsdeler overopphetes, slites og til og med blir ødelagt.

Overharmoniske elektriske svingninger er spennings- eller strømforstyrrelser ved frekvenser som er heltallskomplekser av systemets vekselstrømsfrekvens (AC-frekvens). De er forårsaket av ikke-lineære laster (u-lineære laster) som likerettere, strømforsyninger til datamaskiner, lysrør og visse typer elektriske motorer med variabel hastighet. Overharmoniske strømmer pleier å være større enn overharmoniske spenninger, og driver faktisk sistnevnte.

Figur 2: Harmoniske bølgeformer er frekvensheltallskomplekser av noen grunnleggende bølgeform som (i elektriske strømsystemer) kan kombineres med den grunnleggende bølgeformen og forårsake problemer. Harmonisk svingning stammer vanligvis fra en elektrisk last eller fra en festet maskindel. (Bildekilde: Design World)

Disse elektriske harmoniske svingningene (på grunn av måten de induserer varmegenerering) kan dramatisk forringe effektiviteten og levetiden til elektriske motorer. De kan også forårsake vibrasjoner og dreiemomentpulseringer i den mekaniske utgangen av elektriske motorer, noe som forkorter levetiden til kraftoverføringsunderkomponentene integrert i motorene – spesielt for lagrene som støtter akslingene.

Viktige strømsystemparametere

To viktige spesifikasjoner for strømforsyninger inkluderer strømfaktor og holdetid.

Effektfaktor er et dimensjonsløst forhold som brukes til å beskrive forskjellen mellom sann effekt og tilsynelatende effekt i vekselstrømsystemer. Tilsynelatende effekt er kombinasjonen av sann effekt og reaktiv effekt (blindeffekt). Reaktiv kraft blir i sin tur trukket fra nettverket, lagret øyeblikkelig og deretter returnert uten å bli forbrukt. Dette forårsakes vanligvis av induktive eller kapasitive laster, noe som fører til at strømmen og spenningen er ute av fase. Reaktiv effekt øker belastningen på distribusjonssystemer, reduserer strømkvaliteten og fører til høyere strømregninger.

Ideelt sett vil et system ha en effektfaktor på én – noe som betyr at det ikke er noen reaktiv effekt i systemet. Konstruksjoner med effektfaktorer under 0,95 forårsaker økt belastning på distribusjonssystemet og kan medføre kostnader med reaktiv effekt.

Figur 3: Her er en TML 100C-serie, 85-100 Watt AC-til-DC-strømmodul fra Traco Power. Aktiv effektfaktorkorreksjon (PFC) sikrer en effektfaktor på bedre enn 0,95 (for 230 V_vekselstrøm) og bedre enn 0,99 (for 115 V_vekselstrøm). (Bildekilde: Traco Power)

Holdetid er lengden på tiden en strømforsyning kan fortsette å levere strøm innenfor den angitte spenningen etter et strømbrudd. Ta i betraktning tilfellet med avbruddsfrie strømforsyninger (uninterruptible power supplies - UPS-er) og generatorer – typer reservestrøm som brukes for å sikre kontinuitet i automatiserte operasjoner under strømbrudd (blackout) og spenningskollapser. Som mer detaljert i denne artikkelens siste avsnitt, må en UPS levere strøm i en betydelig periode. Men avhengig av UPS-konstruksjonen, kan disse innføre en forsinkelse på opptil 25 msek mellom en strømsvikt og UPS-initiering av strømforsyning.

Strømforsyningens holdetid gjør at strømforsyningen i stor grad kan bygge bro over dette gapet ved hjelp av strøm lagret i kondensatorer. Faktisk har ikke-linjære-strømforsyninger (switch-mode) en tendens til å ha lengre holdetider enn lineære strømforsyninger på grunn av deres høyspenningskondensatorer.

Andre funksjoner for å løse maskininduserte strømproblemer

Jording, isolasjon og filtrerte strømomformere danner grunnlaget for en strømforsyning av god kvalitet.

Jording: Riktig jording er avgjørende for at en strømforsyning skal fungere riktig. Det gir en referansespenning (hvorfra alle andre spenninger måles) og en returbane for elektrisk strøm. Les DigiKey-artikkelen Det du trenger å vite om jordfeildeteksjon og beskyttelse Les mer om dette emnet.

Isolasjon: Selv om uisolerte strømforsyninger kan være mer energieffektive og kompakte, beskytter isolasjonen mellom inngangs- og utgangsspenningen mot farlige spenninger som går videre til utgangen i tilfelle komponentsvikt. Isolasjon kan også være nødvendig for å beskytte operatører mot farlige spenninger eller for å beskytte utstyr mot transienter og økninger.

Former for isolasjon inkluderer:

• Fysisk isolasjon mellom komponenter
• Induktiv kobling gjennom en transformator – strømomformere som endrer spenningen i et kraftsystem
• Optiske koblinger – som er mest egnet til signaloverføring mellom forskjellige deler av et kraftsystem samtidig som de sikrer et veldig høyt nivå av isolasjon

Figur 4: Strømforsyninger fungerer ofte som strømomformere for å enten 1) endre en AC-kildes spenning eller frekvens eller 2) korrigere eller på annen måte konvertere AC-strøm til DC. Tilfelle i punkt: Denne 48-V 400-W AC-til-DC-pulsfrekvensmodulerte (PFM) omformeren fra Vicor Corp. har integrert filtrering og transient overspenningsvern. Ett forbehold: Vicor Integrated Adapter (VIA)-konverteren godtar bare inndata fra en ekstern rektifisert, sinusformet AC-kilde – med en effektfaktor vedlikeholdt av modulen. Harmonisk svingning er i samsvar med IEC 61000-3-2 og intern filtrering muliggjør samsvar med gjeldende overspennings- og EMI-krav. (Bildekilde: Vicor Corp.)

Elektriske filtre og overspenningsvern: Overspenningsvern fjerner transienter og hevelser, og beskytter slik elektrisk utstyr mot virkningene av disse overspenningsforholdene. I motsetning til dette, glatter elektriske filtre systemspenningen for å fjerne støy og harmoniske oversvingninger. Les om filtre på industrielle strømforsyninger som brukes i store fly (med 400 Hz elektriske kilder) i artikkelen digikey.com Strømforsyning fra en 400 Hz kilde. Eller vurder en annen elektrisk filtertype som er spesielt vanlig i automatiserte installasjoner nær bruksstedet — LC-filtre – for å supplere motordrivere. LC-filtre er en type tank- eller resonanskrets (også kalt en avstemt krets) med en induktor L og en kondensator C for å generere utgang ved en angitt frekvens. LC-filtre for motorer har vanligvis som formål å konvertere en stasjons rektangulære PWM-utgangsspenning til en jevn sinusbølge med lav gjenværende rippel. Fordelene inkluderer forlengelse av motorlevetiden ved å unngå høye DV/DT, overspenning, overoppheting og virvelstrømstap.

Figur 5: Dette er et Schaffner EMC Inc. LC sinusbølgefilter for å hjelpe motordrivere å levere jevne sinusbølger inn i tilkoblede motorviklinger uten spenningstopper. Filteret gir også mulighet for installasjoner med lengre motorkabellengder. (Bildekilde: Schaffner EMC Inc.)

Overspenningsvern fungerer ved enten å blokkere eller kortslutte strøm — eller kombinere overspenningsblokkering og kortslutningsvern.

Overspenningsvern via blokkering: Strømmen kan blokkeres med induktorer som fukter plutselige strømendringer. De fleste overspenningsvern kortslutter imidlertid når overspenning oppstår, og avleder strømmen tilbake til strømfordelingsledningene der den avledes av motstand i kretsens ledninger.

Overspenningsbeskyttelse via kortslutning: Rask kortslutning (utløses når spenningen overstiger et angitt nivå) gjøres med et gnistgap, et utløpsrør eller en halvlederenhet. Bare sjelden (under store eller svært langvarige overspenninger) smelter overspenningsvernets strømledninger eller innvendige komponenter. Kondensatorer kan også dampe ut plutselige spenningsendringer.

Nøkkelspesifikasjoner for overspenningsvern inkluderer klemmespenning, responstid og energiklassifisering. Klemmespenningen – også kjent som gjennomgangsspenning – er den maksimale spenningen som tillates å passere gjennom overspenningsvernet. Det er typisk for 120 V-enheter å ha en klemspenning på 220 V. Energiklassifiseringen (vanligvis i joule) er den maksimale effekten som kan absorberes før komponenter i overspenningsvernet brenner opp og svikter.

En viktig, men ofte oversett spesifikasjon for overspenningsvern er hva som skjer når overspenningsvernet svikter. Hvis en overspenning overskrider beskytterens energiklasse og interne underkomponenter svikter, vil denne beskytteren ikke lenger være i stand til å beskytte mot ytterligere overspenninger. Men dette betyr ikke at strømmen er av: noen overspenningsbeskyttere (for eksempel noen konstruert for å beskytte serveren eller annet elektronisk minne) vil fortsette å levere strøm etter svikt. Den eneste indikasjonen på at overspenningsvern ikke lenger finnes, kan være en varsellampe. Andre overspenningsvern kutter faktisk strømmen eller reduserer strømoverføringen når de svikter.

UPS-er supplerer generatorer i kritiske applikasjoner

UPS-er og generatorer for reservestrøm sikrer kontinuitet i operasjoner under strømbrudd og spenningskollapser. UPS bruker batterier og er vanligvis konstruert for å gi strøm i perioder på noen minutter til noen timer. Generatorer bruker en motor til å generere kraft i lengre perioder og begrenses bare av tilgjengelig drivstoff.

UPS-er gir øyeblikkelig respons på strømbrudd, som sikrer at strømforsyningen er uavbrutt. Generatorer derimot, har en oppstartstid på flere sekunder, minst. For utrustninger der kontinuerlig strøm kreves, må en UPS kombineres med en generator for å levere strøm mens generatoren starter.

Figur 6: Denne 24 V_DC 5 A-avbruddsfrie strømforsyningen (UPS) monteres på DIN-skinnen og gir opptil 25 minutters reservestrøm ved full belastning. (Bildekilde: Phoenix Contact)

UPS beskytter utstyr mot strømbrudd. Frakoblet eller spenning og frekvensavhengige UPS-er er de mest kostnadseffektive, men de har to store mangler:

• Under normale forhold sender frakoblede UPS-er strømmen direkte forbi batteriet til utgangen. Når UPS-kretsen oppdager et strømbrudd, kobler en bryter batteriet til utgangen via en omformer. Dermed kan strømmen bli avbrutt med hele 25 millisekunder.
• Frakoblede UPS-er gir også liten eller ingen beskyttelse mot andre strømkvalitetsproblemer som overspenninger og støy.

Derimot fungerer en UPS som er linje-interaktiv eller spenningsuavhengig (VI) i hovedsak på samme måte som et spennings- og frekvensavhengig UPS, men den har en ekstra spenningsstabilisator for å forbedre den utgangående strømkvaliteten under normal drift. Slike systemer viser fremdeles en omstillingstid der strømmen blir avbrutt – men det er vanligvis bare 5 msek eller så, noe som er godt innenfor holdetiden for de fleste strømforsyninger.

Et skritt videre for å gi størst mulig beskyttelse er online UPS-er, også kjent som spennings- og frekvensuavhengige UPS-er. I UPS-er kobles ikke lasten direkte til strømforsyningen, men trekkes alltid fra systembatteriet, som kontinuerlig lades av strømforsyningen. Nettstrømmen blir transformert til batterispenning og likerettet til likestrøm (DC), slik at den kan lade batteriet. Strøm fra batteriet blir deretter invertert for å produsere vekselstrøm og opptransformert av en annen transformator til nettspenning. Dette betyr at strømkvalitetsproblemer i forsyningen ikke påvirker utgangen, og det oppnås svært høye nivåer på strømkvalitet, samt beskyttelse. Det resulterer imidlertid også i betydelig lavere energieffektivitet og høyere UPS-kostnader på forhånd.

For alle unntatt de mest følsomme og kritiske belastningene er en uavhengig UPS kombinert med en strømforsyning med tilstrekkelig holdetid et bedre valg.

Konklusjon

Fastsettelse av kravene til strømkvalitet i en konstruksjon er det første trinnet for å hindre nedetid og vedlikeholdskostnader årsaket av uren offentlig strømforsyning, elektrisk støy og overtoner. Disse kravene varierer betydelig avhengig av maskinens konstruksjon og funksjoner. Når disse parametrene er definert, kan imidlertid konstruktører spesifisere strømforsyninger med filtre, overspenningsvern, reservestrøm og nettverninnretninger. Dette kan forbedre påliteligheten til automatisert utstyr.