Ochrona przed skutkami zwarć doziemnych w napędach z elektronicznymi przemiennikami częstotliwości

Napięciowy przemiennik częstotliwości i sieć TN-S

Napięciowe przemienniki częstotliwości są obecnie powszechnie stosowane w napędach z regulowaną prędkością obrotową trójfazowych silników indukcyjnych. Głównie są to silniki klatkowe. Obszar zastosowań przemienników napięciowych gwałtownie się powiększa. Obserwujemy szybko rosnącą sprzedaż tych urządzeń, przy jednoczesnym coraz większym zaawansowaniu technologicznym. Rozbudowywane są ich funkcje komunikacyjne, zabezpieczeń i sterowania. Postępująca miniaturyzacja elektronicznych układów sterowania, oparta głównie na procesorach sygnałowych, umożliwia praktycznie dowolne kształtowanie cech użytkowych tych przekształtników.

Często przejmują one rolę zewnętrznych sterowników PLC. Obwód mocy też podlega ciągłym modyfikacjom, głównie ze względu na rozwój technologii wytwarzania falowników z tranzystorami IGBT. W aplikacjach z niskonapięciowymi przemiennikami częstotliwości (radiatory chłodzone powietrzem) sterowane silniki osiągają już moce rzędu 1,4 MW. Długość ekranowanego/zbrojonego kabla silnikowego, bez stosowania dodatkowych zewnętrznych filtrów, osiąga 150 m [1]. Przemienniki stosowane są powszechnie zarówno w sieciach zasilania typu TN-S, jak i sieciach IT.

W sieciach IT ochrona przeciwporażeniowa napędów z przemiennikami częstotliwości jest realizowana inaczej niż w sieciach TN-S. Nie można bezkrytycznie stosować tam zasad budowy instalacji zasilania właściwych dla sieci TN-S [2].

Bezpieczna instalacja elektryczna

Zagadnienia bezpieczeństwa użytkowania napędu z elektronicznym przemiennikiem częstotliwości i ochrony przeciwporażeniowej można podzielić na trzy grupy: dotyczące producenta przemiennika częstotliwości, projektanta-wykonawcy instalacji napędowej z przemiennikiem częstotliwości i użytkownika tej instalacji. Bezpieczeństwo instalacji z napędowymi przemiennikami częstotliwości zależy głównie od prawidłowego projektu i jakości wykonania instalacji, dlatego te zagadnienia będą dalej omawiane.

Warunki techniczne, jakie należy spełnić budując elektroniczny przemiennik częstotliwości i jego instalację zasilania, w zakresie ochrony przed porażeniem określone są normą obowiązkowego stosowania PN-IEC 60364 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Jest to bardzo obszerny dokument i dotyczy wielu zagadnień skoordynowanego postępowania w celu zapewnienia bezpiecznego użytkowania urządzeń elektrycznych. Zagadnienia ochrony przed porażeniem w instalacjach napędowych omawia część PN-IEC 60364.4.41, pt. „Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przeciwporażeniowa”. W listopadzie 2009 norma ta została zastąpiona przez normę PN-HD 60364-4-41:1009 "Instalacje elektryczne nn. Część 4-41: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed porażeniem elektrycznym."

Inne części normy PN-IEC 60364 omawiają ochronę w celu zapewnienia bezpieczeństwa przed skutkami oddziaływania cieplnego, przed prądem przetężeniowym, obniżeniem napięcia i przepięciami. W 2003 roku opublikowano normę PN-EN 50178 Urządzenia elektroniczne do stosowania w instalacjach dużej mocy, która określa zagadnienia bezpieczeństwa realizowane przez producentów przemienników częstotliwości w czasie ich wytwarzania. Na normę PN-EN 50178 powołują się producenci tych urządzeń przy wystawianiu deklaracji zgodności (znak CE). Połączenie przewodu ochronnego PE z przemiennikiem częstotliwości i silnikiem z zaznaczeniem potencjalnych punktów doziemienia w zewnętrznej instalacji (A, B) pokazano na rysunku 1.

Cechy charakterystyczne istotnie wyróżniające napięciowe przemienniki częstotliwości wśród innych typowych odbiorników energii, takich jak silniki indukcyjne zasilane bezpośrednio z sieci, i wpływające na zapewnienie bezpieczeństwa to:

• duży ładunek elektryczny zmagazynowany w baterii kondensatorów obwodu pośredniego, proporcjonalny do mocy nominalnej przemiennika, który rozdziela obwód wejściowy od wyjściowego,
• podatność na uszkodzenia elementów elektronicznych i energoelektronicznych przemiennika przy pracy w niewłaściwych warunkach zasilania i chłodzenia,
• duże odległości między przemiennikiem częstotliwości i sterowanym silnikiem, osiągające kilkusetmetrowe długości.
• duże częstotliwości prądów doziemnych występujących naturalnie w przewodzie ochronnym PE powodowane impulsowym charakterem napięcia fazowego zasilania silnika.

Przemysłowe elektroniczne przemienniki częstotliwości to głównie przemienniki pośrednie typu napięciowego, tj. gromadzące energię napięcia stałego w baterii kondensatorów elektrolitycznych stopnia pośredniego. Uszkodzenie kondensatorów elektrolitycznych, ich przebicie lub rozerwanie prowadzące do niekontrolowanego, gwałtownego rozładowania zwykle nie ma wpływu na prądy doziemne w zewnętrznej instalacji ochronnej. Obudowa przemienników częstotliwości jest zwykle metalowa lub częściowo plastykowa z napyloną wewnętrzną warstwą przewodzącą (miedź) dla zmniejszenia emisji elektromagnetycznej do otoczenia. Obudowa elektronicznych przemienników częstotliwości jest budowana w I klasie ochronności, dlatego zawsze musi być uziemiona. Przewód ochronny kabla silnikowego, a także jego ekran/zbrojenie (jeśli jest stosowane) powinno być dwustronnie uziemione (opaski uziemiające), tj. przy przemienniku częstotliwości i silniku. Brak uziemienia ekranu/zbrojenia kabla silnikowego może spowodować zagrożenie porażeniowe wskutek przepływu wysokoczęstotliwościowych prądów upływu doziemnego.

Przy nieprawidłowo wykonanej instalacji uziemienia napięciowy przemiennik częstotliwości powoduje często trudne do usunięcia zaburzenia w sieci zasilania i otoczeniu. Mogą one zakłócić właściwą pracę znajdujących  się w pobliżu innych urządzeń elektronicznych. Podwójna przemiana energii w trójczłonowym obwodzie mocy przemiennika (AC/AC=AC/DC+DC/DC+DC/AC), powoduje, że ma on inne własności elektryczne na wejściach zasilających, podłączonych do sieci, i wyjściach mocy, podłączonych do silnika. Jest to powód niezależnego pomiaru prądu różnicowego po stronie sieci i silnika. Właściwa instalacja uziemieniowa ma tutaj zasadnicze znaczenie dla ograniczenia zaburzeń napięcia w sieci zasilania [3].

Napięcia i prądy fazowe oraz moc bierna

Na rysunku 2. przedstawiono przebiegi prądów i napięć fazowych na wejściu zasilania L1 i wyjściu mocy U napięciowego przemiennika częstotliwości zasilanego z sieci typu TN-S. Fazowe napięcie zasilania przemiennika jest sinusoidalne o częstotliwości 50 Hz. Prąd pobierany z sieci jest odkształcony, a zawartość pierwszej harmonicznej w tym prądzie decyduje o wartości mocy czynnej przesyłanej do silnika. Nie ma też praktycznie przesunięcia fazowego między pierwszą harmoniczną prądu fazowego zasilania przemiennika i fazowym napięciem zasilania, dlatego napięciowy przemiennik częstotliwości z wejściowym prostownikiem diodowym nie wprowadza mocy biernej do sieci zasilającej.

Na przesunięcie fazowe między napięciem zasilania i pierwszą harmoniczną prądu zasilania wpływa jedynie niewielka indukcyjność własna sieci zasilania i wejściowych dławików AC lub obwodu pośredniego DC przemiennika częstotliwości. Moc bierna silnika jest odseparowana od sieci zasilającej i krąży między nim a baterią kondensatorów elektrolitycznych przemiennika częstotliwości.

Brak wprowadzania mocy biernej do sieci zasilania jest okupiony wprowadzeniem do sieci innego rodzaju mocy, mocy odkształcenia (skutek odkształcenia prądu fazowego i_L1), charakteryzującej nieliniowe odbiorniki energii. Moc odkształcenia (wg Budeanu [10]) zwiększa wartość skuteczną prądu fazowego zasilania przemiennika wskutek występowania wyższych harmonicznych w tym prądzie.

W rozwiązaniach przemysłowych przemienników częstotliwości wyposażonych w wejściowe dławiki AC lub DC [4], nie ma konieczności przewymiarowywania przekrojów kabli zasilania, zabezpieczeń nadprądowych, gdyż nominalne prądy fazowe zasilania przemiennika I_L1, I_L2, I_L3, nie przekraczają wartości 110% wartości 1. harmonicznej tych prądów, a więc i fazowych prądów nominalnych silnika I_U, I_V, I_WV (rys. 3.).

Przy mniejszym od nominalnego obciążeniu silnika wzrasta zawartość harmonicznych prądu w prądzie fazowym zasilania przemiennika częstotliwości, ale też zmniejsza się wartość skuteczna prądu fazowego i wtedy harmoniczne prądu mają odpowiednio mniejsze wartości w porównaniu do znamionowego prądu obciążenia silnika.

Jako wniosek z tej analizy trzeba przyjąć, że wartości zabezpieczenia nadprądowego na zasilaniu przemiennika częstotliwości dobieramy uwzględniając skuteczny wejściowy prąd fazowy przemiennika częstotliwości dla obciążenia nominalnego (podawany w DTR przemiennika), ma wartość zbliżoną do wyjściowego prądu pracy ciągłej przemiennika częstotliwości.

Prądy upływu doziemnego dużych częstotliwości

Analizując przebieg wyjściowego fazowego napięcia przemiennika (rys. 2b), którym zasilany jest silnik, widoczny jest niesinusoidalny przebieg tego napięcia, z dużą ilością kształtujących go pojedynczych impulsów napięciowych. Jest to skutkiem kształtowania napięć w falowniku przemiennika częstotliwości według modulacji MSI (Modulacja Szerokości Impulsów) [5]. Impulsowy przebieg napięć fazowych powoduje przepływ prądów doziemnych dużych częstotliwości poprzez doziemne pojemności pasożytnicze kabla silnikowego; żyła – uziemiony ekran/zbrojenie i silnika; uzwojenie fazowe – uziemiony korpus silnika. Im mniejsze są pojemności pasożytnicze, tym mniejsze prądy płyną w przewodzie ochronnym przemiennika. Źródłem tych prądów jest falownik przemiennika częstotliwości, dlatego prądy te wpływają różnymi obwodami ponownie do przemiennika częstotliwości, aby wpłynąć do źródła, tj. falownika. Prądy te zamykają się w falowniku przez filtry EMC wejściowy i obwodu pośredniego przemiennika (rys. 1.), a gdy filtry EMC nie są uziemione, to płyną przez transformator zasilający, sieć zasilania i prostownik wejściowy. Należy też pamiętać, że część tych prądów doziemnych wpływa do falownika przez pojemności pasożytnicze uziemionego radiatora prostownika, uziemionego radiatora falownika, uziemionej obudowy kondensatorów elektrolitycznych baterii. Pojemności te mają wartości po kilka nanofaradów i przy większych przekrojach kabli silnikowych i gabarytach silnika nie stanowią skutecznych naturalnych układów filtracji (wytworzenia pojemnościowej drogi przepływu) prądów doziemnych z przewodu ochronnego do przemiennika częstotliwości [6].

Nowe rozwiązania technologiczne mocno ograniczają wartości pasożytniczych pojemności doziemnych kabli silnikowych. W tabeli 1. i tabeli 2. przedstawiono dwa rodzaje wykonań kabli silnikowych do napędów z przemiennikami częstotliwości, techniką tradycyjną (tab. 1.) i nowoczesną (tab. 2.). Kable wykonane techniką nowoczesną cechują się niewielkimi pojemnościami pasożytniczymi żyła – żyła i żyła – ekran. Przez wiele lat utrzymywał się pogląd, że przewód ochronny PE między silnikiem i przemiennikiem częstotliwości powinien być prowadzony wspólnie z silnikowymi przewodami fazowymi [3]. Dzisiaj należy już mocno rozważać, szczególnie w napędach większych mocy, czy nie jest korzystniej wykonać go oddzielnie, tj. poza ekranem/zbrojeniem kabla silnikowego (bednarka). Nie spodziewam się przy takim rozwiązaniu istotnego pogorszenia warunków EMC. Takie postępowanie na pewno zdecydowanie pomniejszy wartości prądów upływu pojemnościowego w tym przewodzie.

Prądy łożyskowe silników

Problem prądów łożyskowych silników powodowany przez napięciowe przemienniki częstotliwości zasadniczo nie ma obecnie istotnego wpływu na żywotność silnika. Powszechnie stosowana technika izolowania wszystkich łożysk wirnika od stojana silnika eliminuje prądy prowadzące w przeszłości do częstego przebicia filmu olejowego w zewnętrznej bieżni łożyska. Bieżnia ta ulegała wtedy korozji elektrolitycznej, co powodowało szybsze zużywanie się łożysk. Prądy łożyskowe zostały mocno zredukowane przez ich izolowanie przekładkami izolacyjnymi (teflon) umieszczonymi w jarzmach mocowania łożysk wirnika. Należy pamiętać, że prądów łożyskowych skutecznie nie eliminuje sinusoidalny filtr silnikowy LC (3×L+3×C) [6], stosowany w napędach mniejszych mocy dla uzyskania sinusoidalnego międzyfazowego napięcia zasilania silnika. Nie wpływa on istotnie na zmianę impulsowego charakteru napięcia fazowego. Impulsowy charakter napięć fazowych wywołuje napięcie zaburzeń wspólnych CM (ang. common mode), a ono powoduje przepływ prądu łożyskowego silnika. Napięcie zaburzeń wspólnych CM, nazywane także składową zerową napięcia niesymetrycznego (od metody analizy przebiegów niesymetrycznych poprzez ich rozkład na składowe symetryczne: zgodną, przeciwną i zerową), może być redukowane przez zastosowanie wspólnego dławika ferromagnetycznego obejmującego przewody fazowe silnika [13].

Prądy zwarcia doziemnego kabla silnikowego lub silnika

Prądy zwarcia doziemnego, jakie wystąpią przy doziemieniu części czynnych kabla silnikowego lub silnika, zależą od zdolności przepływu tych prądów w torze mocy samego przemiennika częstotliwości, pełniącego funkcję zasilacza dla silnika.

W normalnych warunkach pracy przemiennika częstotliwości wyjściowy prąd doziemny jest wyznaczany jako suma wyjściowych prądów fazowych przemiennika mierzonych przetwornikami typu LEM. Jest to odmiana klasycznego układu do wyznaczania składowej zerowej prądu opartego na przekładnikach prądowych, znanego pod nazwą układu Holmgreena [14]. Układ elektroniczny blokuje przepływ prądów przez falownik przemiennika częstotliwości, jeśli prąd doziemny (tj. suma wyjściowych prądów fazowych – prąd różnicowy) przekroczy dozwoloną przez producenta przemiennika częstotliwości wartość zadaną. Ze względu na doziemne pojemności pasożytnicze kabla i silnika prądy doziemne zawsze płyną w przewodzie ochronnym PE i mogą osiągać wartości nawet kilku amperów.

Elektronicznego zabezpieczenia przed zbyt dużym prądem doziemnym nie można traktować jako zabezpieczenia przeciwporażeniowego, niemniej zapobiega ono wystąpieniu niebezpiecznych wartości prądów doziemnych przy normalnej pracy przemiennika częstotliwości (tj. bez awarii).

Przewód ochronny PE dla nieuziemionego miejscowo silnika musi cechować się małą impedancją dla prądów dużych częstotliwości (3 - 16 kHz), aby przy normalnej pracy przemiennika częstotliwości (przepływ doziemnych prądów pojemnościowych) nie nastąpił wzrost napięcia dotykowego silnika.

Przemysłowe przemienniki częstotliwości mogą posiadać wbudowane przez producenta szybkie bezpieczniki (FF, rys. 4.), dobrane do prądów znamionowych przemiennika, w przeciwnym przypadku należy je zastosować jako zewnętrze zabezpieczenie przemiennika. Na rysunku 4. przedstawiono przykładowe charakterystyki pasmowe wkładek bezpiecznikowych wykonanych według normy międzynarodowej IEC 60269. W normie polskiej PN-EN 60269-4 przedstawione są wymagania dla szybkich wkładek topikowych typu aR i gR do zabezpieczania przyrządów półprzewodnikowych. Wkładka bezpiecznikowa typu gR, tj. o pełnym zakresie zdolności wyłączania prądów zwarciowych, jest powszechnie stosowana do zabezpieczania urządzeń elektroniki przemysłowej przez producentów napędowych przemienników częstotliwości. Stosowanie innych rodzajów zabezpieczeń, np. wyłącznik różnicowoprądowy i dalej bezpiecznik zwłoczny czy wyłącznik nadprądowy i wyłącznik różnicowoprądowy, jest zwykle niedopuszczalne.

Znane mi są instalacje wykorzystujące wyłączniki różnicowoprądowe i pracujące poprawnie, ale jest też wiele takich, gdzie występują przypadkowe wyłączenia napędu przez te wyłączniki. To niewłaściwe, aby tak wrażliwe urządzenie (wyłącznik różnicowoprądowy), działające poprawnie przy niewielkich prądach zwarcia doziemnego (różnicowych), stosować tak powszechnie w przemyśle. W pierwszej kolejności stosujemy bezpiecznik gR lub aR, dopiero dalej kolejne stopnie zabezpieczeń. Należy pamiętać, że wysokoczułe wyłączniki różnicowoprądowe są produkowane dla ochrony człowieka przed dotykiem niezamierzonym do części będącej pod napięciem. Prąd różnicowy w zależności od wartości napięcia fazowego nie przekracza wtedy 1 A.

Zakładając rezystancję człowieka 1 kΩ, to przy napięciu fazowym 230 V popłynie przez nas prąd różnicowy o wartości 230 mA. Taki prąd nie niszczy układu sterowania wyłącznika różnicowego (cewka Ferrantiego), ale jeśli dojdzie do zwarcia galwanicznego, w którym przepali się wkładka bezpiecznikowa, to należy wymienić ten wyłącznik różnicowoprądowy na nowy razem z wkładką. Jego dalsza praca jest bardzo dyskusyjna, nawet jeśli to zwarcie nie spowoduje jego widocznego uszkodzenia. Ponieważ czasem uzupełnia się ochronę instalacji napędowej z przemiennikiem częstotliwości przez stosowanie wyłącznika różnicowoprądowego (dla celów przeciwpożarowych), to wystarczające jest zastosowanie klasy AC (np. AC,100 mA z opóźnieniem 0,5 s), nie ma tu uzasadnienia podnoszenie kosztów instalacji przez stosowanie wyłączników różnicowoprądowych klasy A lub B. Na zasilaniu przemiennika częstotliwości przy zwarciu rezystancyjnym, tj. przy dotyku części będącej pod napięciem przez człowieka będącego jednocześnie w kontakcie z powierzchniami przewodzącymi i uziemionymi, popłyną jedynie prądy sinusoidalne.

Wyłączniki nadprądowe są zbyt wolne dla ochrony przemiennika przed skutkami wewnętrznych (w przemienniku częstotliwości) zwarć doziemnych i międzyfazowych, dlatego nie mogą zastępować szybkich wkładek bezpiecznikowych typu gR lub aR.

Z rysunku 4. można odczytać, że stosując wkładkę bezpiecznikową typu FF (aR, gR) jej przepalenie nastąpi w czasie do 0,4 s przy prądzie ok. 1,7 In (In – prąd nominalny wkładki), a w czasie 1 ms przy prądzie zwarcia wynoszącym 10 IN. Czas przepalenia wkładki do 0,4 s to warunek spełnienia ochrony pośredniej dla stacji zasilania. Wtedy instalacja zasilająca, przemiennik częstotliwości i silnik znajdują się w suchym pomieszczeniu, a fazowe napięcie zasilania wynosi 230 V. Jeśli choć tylko silnik znajduje się otwartej przestrzeni (możliwość zawilgocenia), to przepalenie się wkładki bezpiecznikowej musi nastąpić do 0,2 s. Autor definiuje czas samoczynnego wyłączenia warunkami środowiskowymi w miejscu pracy.

Dłuższy czas dotyczy warunków środowiskowych normalnych, a krótszy warunków środowiskowych o zwiększonym zagrożeniu pożarowym. Inne rodzaje wkładek bezpiecznikowych spowodują (przed ich przepaleniem) wydzielanie się znacznie większej energii cieplnej w przemienniku częstotliwości. Energia ta spowoduje większą destrukcję wewnętrznych obwodów przemiennika przy zwarciu doziemnym w jego wnętrzu. Na rysunku 4. widać też, że zastosowanie wkładki zwłocznej (TT) spowoduje, że jej przepalenie w czasie 0,4 s dopiero przy prądzie zwarcia o 11-krotnej wartości prądu nominalnego wkładki IN, a prąd zwarciowy o 50-krotnej wartości prądu nominalnego wkładki IN nie zdoła jej spalić w czasie 1 ms.

Wkładka bezpiecznikowa czy wyłącznik nadprądowy?

Odpowiedź nie powinna budzić wątpliwości. Tylko wkładka topikowa bezpiecznika szybkiego (gR, aR) może być stosowana jako zabezpieczenie przez porażeniem przy zwarciu doziemnym (zwarcie A – rys. 1.), ponieważ musi ona jednocześnie pełnić funkcję zabezpieczenia przed skutkami zwarć wewnątrz przemiennika częstotliwości. Wkładka bezpiecznika szybkiego jest jednocześnie zabezpieczeniem przy wystąpieniu zwarcia doziemnego w kablu silnikowym lub silniku (zwarcie B, rys. 1.), gdy dojdzie do uszkodzenia elektronicznych układów zabezpieczeń przemiennika.

Dopiero po zastosowaniu szybkiego bezpiecznika na wejściach mocy przemiennika częstotliwości, można stosować dodatkowe zabezpieczenia instalacji zasilania, łącznie z użyciem elektromagnetycznych wyłączników nadprądowych. Wyłącznik nadprądowy nie może być stosowany jako zabezpieczenie przemiennika częstotliwości przed skutkami zwarć doziemnych wewnątrz jego obudowy, ale może stanowić poprawne zabezpieczenie jako środek ochrony pośredniej przed porażeniem, zarówno na zasilaniu, jak i po stronie silnikowej przemiennika częstotliwości.

Na rysunku 5. przedstawiono przykładowe charakterystyki pasmowe wyłączników nadprądowych. Dla wyłącznika typu B czas zadziałania przy dużych prądach zwarciowych zawiera się w granicach 5 - 30 ms. Porównując charakterystyki pasmowe szybkiej wkładki bezpiecznikowej (rys. 4.) i wyłącznika nadprądowego (rys. 5.) łatwo zauważyć, że dla prądów zwarciowych o wartości 10 I_n przepalenie wkładki nastąpi w czasie do 1 ms, natomiast wyłącznik nadprądowy wyłączy się po czasie do 30 ms, niezależnie od wartości prądu zwarciowego.

Wydłużony czas przepływu prądów zwarciowych powoduje zwiększoną dewastację wewnętrznej struktury przemiennika częstotliwości, dlatego nie zaleca się wyłączników nadprądowych do zabezpieczania urządzeń elektroniki przemysłowej. W ostatnich latach zostały już wprowadzone na rynek przemienniki częstotliwości, gdzie w DTR producenci dopuszczają stosowanie zwłocznych układów bezpiecznikowych mocy i wyłączników nadprądowych.

Zwarcie doziemne silnika – pętla zwarcia

Zgodnie z rysunkiem 6., pętla zwarcia przebiega tutaj przez zewnętrzny szybki bezpiecznik, przemiennik częstotliwości (przewodzącą diodę prostowniczą, przewodzący tranzystor IGBT), przewód fazowy kabla silnikowego, silnik, przewód ochronny, transformator, przewód fazowy zasilania przemiennika częstotliwości. W pętli zwarcia występują trzy szeregowo połączone półprzewodnikowe elementy mocy (bezpiecznik, dioda, tranzystor IGBT). Wszystkie te elementy ulegają przepaleniu przy prądach zwarciowych o wartości ok. 2 I_n. Jeśli silniki są dodatkowo uziemione w miejscu ich posadowienia, takie uziemienie zapobiega wystąpieniu na obudowie silnika napięcia dotykowego większego niż długotrwale bezpieczne (np. 25 V ac).

W sieci TN przy braku miejscowego uziemienia silnika napięcie dotykowe na korpusie silnika będzie zależeć od rezystancji (impedancji) przewodu ochronnego PE. Zapewnienie napięcia dotykowego o dozwolonej wartości (np. 25 V ac dla silnika w otwartej przestrzeni) już dla prądów 2 I_n (I_n – prąd nominalny wkładki bezpiecznika szybkiego – gR) zapewnia spełnienie ochrony pośredniej.

Warunek ten jest zwykle spełniony z nadmiarem, gdyż w praktyce stosowane są wymagania wynikające z normy PN-EN 60364, nakładające konieczność utrzymania minimalnych wartości przekroju przewodu ochronnego PE dla danych przekrojów żył fazowych zasilania silnika. Pomiar rezystancji przewodu ochronnego ma tutaj podstawowe znaczenie dla zapewnienia skutecznej ochrony pośredniej (przy uszkodzeniu).

Stosowanie wysokoczułych przeciwporażeniowych wyłączników różnicowoprądowych praktycznie uniemożliwia poprawną pracę instalacji z powodu przepływu prądów różnicowych od wejściowego i pośredniego filtra EMC, szczególnie dużych przy załączaniu do sieci zasilania przemiennika częstotliwości.

Przez wyłącznik różnicowoprądowy przepływa też część prądów doziemnych dużych częstotliwości w czasie normalnej pracy przemiennika częstotliwości mimo stosowania filtrów EMC. Te prądy różnicowe nie są wykrywane przez zewnętrzny (wejściowy) wyłącznik różnicowoprądowy z powodu rozdzielenia obwodów mocy: wejściowego od wyjściowego przez obwód napięcia stałego. Prądy upływów pojemnościowych powodowane pracą falownikową mogą być wykrywane jedynie wewnętrznym układem elektronicznym współpracującym z falownikiem przemiennika częstotliwości. Niemniej różnicowe prądy dużych częstotliwości mocno zakłócają poprawną pracę wejściowego zewnętrznego wyłącznika różnicowoprądowego.

Pojemnościowe prądy upływu od kabli silnikowych i silnika typowo mają wartości ok. 100 mA, a w instalacjach z silnikami średnich mocy mogą znacznie przekraczać wartości 500 mA. W napędach z przemiennikami napięciowymi prądy te zależą głównie od rodzaju, długości i przekrojów kabli silnikowych.

Pozostaje pytanie, jak wykonać pomiary skuteczności ochrony przeciwporażeniowej i wypełnić protokół pomiarowy po ich przeprowadzeniu?

Po zwarciu odpowiednich żył kabla zasilającego przemiennik częstotliwości z żyłami kabla silnikowego należy zmierzyć impedancję pętli zwarcia na zaciskach silnika. W czasie pomiaru odłączyć zasilanie po stronie pierwotnej transformatora i zastosować własne źródło napięcia 24V/50 Hz. Następnie należy przeliczyć, czy jest spełniony warunek przepalenia szybkiej wkładki bezpiecznikowej we właściwym czasie, zastosowanej na zasilaniu przemiennika częstotliwości.

W przypadkach, gdy silnik jest miejscowo uziemiony lub oddzielnymi pomiarami sprawdzono stan techniczny silnikowego kabla ochronnego PE (rezystancja uniemożliwia powstanie niebezpiecznego napięcia dotykowego) oraz prawidłowość jego połączeń z silnikiem i przemiennikiem, dokonanie pomiaru impedancji pętli zwarcia na zaciskach zasilania przemiennika częstotliwości jest wystarczające [8, 9].

Po zasileniu przemiennika częstotliwości można dodatkowo sprawdzić prawidłowość działania elektronicznego zabezpieczenia przemiennika częstotliwości przed zwarciem doziemnym na wyjściach silnikowych, poprzez jego sztuczne wymuszenie.

Literatura

1. Danfoss A/S – DTR przetwornice częstotliwości VLT500 – MG50A449.
2. J. Szymański, Zagrożenia bezpieczeństwa w instalacjach napędowych z napięciowymi przemiennikami częstotliwości w sieciach IT, „elektro.info” nr 1 - 2/2007.
3. E. Musiał, Zabezpieczenie silników zasilanych z pośrednich przemienników częstotliwości, Biuletyn SEP INPE, nr 59 - 60/2004.
4. J. Szymański, Harmoniczne prądu i napięcia w sieci zasilającej wprowadzane przez prostowniki wejściowe napędowych przemienników częstotliwości, elektro.info nr 10/2007.
5. J. Szymański, Ochrona przed prądami dużych częstotliwości w instalacjach napędów przekształtnikowych w sieciach separowanych, „elektro.info” nr 7 - 8/2008.
6. J. Szymański, Stosowanie filtrów EMC w sieciach IT zasilających napędy z napięciowymi przemiennikami częstotliwości, ”elektro.info” nr 12/2008.
7. HELUKABEL, katalog „Kable i przewody 2009/2010”, www.helukabel.pl.
8. J. Szymański, Ochrona przeciwporażeniowa instalacji napędowych z napięciowymi przemiennikami częstotliwości zasilanymi z sieci TN-S do 1 kV, Komel 2004, XIII Seminarium Techniczne „Problemy Eksploatacji Maszyn i Napędów Elektrycznych”, 19 - 21.V.2004, Ustroń.
9. J. Szymański, Bezpieczeństwo użytkowania instalacji przemysłowych z napięciowymi przemiennikami częstotliwości w sieciach TN-S, „elektro.info” nr 10/2006.
10. L. S. Czarnecki, Uwagi do artykułu: „Możliwość przedstawienia jednolitej nowej koncepcji mocy biernej prądu niesinusoidalnego w dziedzinie czasu”, „Przegląd Elektrotechniczny” nr 6/2009.
11. W. Jabłoński, Ogólne kryteria ochrony przeciwporażeniowej przed dotykiem bezpośrednim i przy dotyku pośrednim, INPE SEP, nr 43/2002.
12. ELFA, katalog produktów 2005, www.elfa.se.
13. J. Bamberski, Efektywność silnika elektrycznego zasilanego z przemiennika częstotliwości, Zeszyty Problemowe-Maszyny Elektryczne, nr 78/2007.
14. S. Szkółka., G. Wiśniewski i inni, Filtr składowej zerowej prądu z cewką Rogowskiego w środowisku prądów odkształconych, „Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa”, nr 7 - 8/450/2008.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!