Urządzenia energoelektroniczne

Urządzenia energoelektroniczne służą do przekształcania energii elektrycznej i sterowania jej przepływem.

Charakteryzują się wysoka sprawnością energetyczna oraz możliwością niemal dowolnego kształtowania postaci energii elektrycznej dla potrzeb różnego rodzaju odbiorników.

Zabezpieczenia przetężeniowe i ziemnozwarciowe urządzeń energoelektronicznych. Producenci urządzeń energoelektronicznych powinni je wyposażyć w urządzenia zabezpieczające przed prądami przetężeniowymi i prądami ziemnozwarciowymi (płynącymi do przewodu ochronnego). W przypadku rezygnacji ze stosowania tych urządzeń powinny być podane ich podstawowe parametry. Jest to szczególnie istotne w przypadku, przekształtników stanowiących części składowe układu napędowego. Układy energoelektroniczne mogą mieć szereg zabezpieczeń elektronicznych, ograniczających przetężenia przy doziemieniach. Wśród tych zabezpieczeń wyróżnia się układy:

•  ograniczenia prądu,
•  kontroli prądu ziemnozwarciowego,
•  kontroli zaniku napięcia w jednej fazie,
•  wyłączania przekształtnika przy przetężeniu.

Jeżeli producent układu energoelektronicznego nie zastosuje zabezpieczeń przetężeniowych i ziemnozwarciowych, to rozdzielnie zasilającą należy wyposażyć w zabezpieczenia służące ochronie zarówno linii zasilającej, jak i przekształtnika przed przetężeniami i prądami zwarć doziemnych (do masy). A zatem zabezpieczenie zasilania układu energoelektronicznego powinno zawierać człon przetężeniowy i człon ziemnozwarciowy.

W celu zabezpieczenia się przed doziemieniem w obwodzie układu energoelektronicznego najkorzystniej jest stosować wyłączniki różnicowoprądowe typu B, które działają przy doziemieniu na prąd stały i przemienny o dowolnej częstotliwości. Wyłączniki te są jednak bardzo drogie i czasami warto przeanalizować celowość zastosowania do ochrony przeciwzwarciowej wyłączników nadprądowych, róznicowoprądowych typu A oraz wzmocnionego systemu połączeń ochronnych.

Ochrona przeciwporażeniowa w urządzeniach energoelektronicznych

Każde urządzenie energoelektroniczne może mieć różne właściwości w zależności od typu stosowanych zaworów (diody, tyrystory, tranzystory), systemu sterowania, poziomu ograniczania prądu i sposobu przetwarzania. Urządzenie może pracować w środowisku o różnym poziomie zapylenia i wilgotności oraz może być zasilane z sieci o różnej konfiguracji (TN, TT, IT) i o różnym poziomie mocy zwarcia.

Ochrona przeciwporażeniowa układów energoelektronicznych wymaga indywidualnego doboru do nich środków ochrony z uwagi na ich różną typologie, sposób działania i zasilanie. Prąd doziemienia wewnątrz przekształtnika zależy nie tylko od rezystancji pętli zwarcia, ale również od:

•  reaktancji dławika sieciowego (lub transformatora prostownikowego),
•  stopnia wysterowania zaworów,
•  prądu ograniczenia przekształtnika,
•  poziomu prędkości silnika (w przypadku układów napędowych prądu stałego),
•  typu sieci zasilającej (TN, IT).

Układy energoelektroniczne są urządzeniami o dużym prądzie w przewodzie ochronnym (upływowym), wynikającym ze stosowania filtrów przeciwzakłóceniowych. Wymagają więc one specjalnych wyłączników różnicowoprądowych, dostosowanych do prądu upływowego. W urządzeniach energoelektronicznych stosowana jest:

•  ochrona podstawowa (przed dotykiem bezpośrednim),
•  ochrona przy uszkodzeniu (przed dotykiem pośrednim),
•  ochrona polegająca na obniżeniu napięcia roboczego (głównie obwodów sterowania) do wartości bezpiecznej.

Głównym elementem ochrony podstawowej w urządzeniach energoelektronicznych jest zastosowanie odstępów izolacyjnych w powietrzu i wzdłuż powierzchni osłoniętego wyposażenia, które powinny być dostosowane do stopnia zapylenia środowiska i do poziomu przepięć przejściowych przychodzących z sieci.

Ochrona przed dotykiem bezpośrednim urządzenia energoelektronicznego polega na umieszczeniu go w szafie, której stopień ochrony – ze względu na wydzielające się w urządzeniu ciepło – zwykle nie jest wyższy niż IP 2X. Szafa powinna być zamykana na klucz lub wyposażona w wyłączniki drzwiowe, by w ten sposób obsługa była chroniona przed dotykiem bezpośrednim części przewodzących: obwodu głównego, sterującego i pomocniczego. Otwarcie drzwi wyposażonych w odpowiednie wyłączniki powinno powodować wyłączenie układu energoelektronicznego. Dostęp do pracującego układu po otwarciu drzwi może mieć tylko personel konserwujący układ, odpowiednio przeszkolony, przy czym sam układ musi być wyposażony w środki ochrony przed dotykiem bezpośrednim. Elementy pod napięciem powinny być opisane, odizolowane i osłonięte. Napisy ostrzegawcze powinny być trwałe, czytelne i zrozumiałe dla użytkownika.

Ochrona przy uszkodzeniu (przy dotyku pośrednim) polega na stosowaniu środków, które przy uszkodzeniu izolacji roboczej i pojawieniu się napięcia na osłonach urządzeń powodują albo samoczynne i szybkie ich wyłączenie, albo obniżenie występującego napięcia dotykowego do wartości niezagrażającej porażeniem. Wyłączenie układu przekształtnikowego jest wymagane z trzech powodów:

•  ochrony człowieka przed możliwością porażenia,
•  ochrony przekształtnika i instalacji przed możliwością wystąpienia pożaru,
•  możliwości uszkodzenia części składowych przekształtnika (zwłaszcza zaworów) i odbioru (silnika).

Ochrona człowieka przed porażeniem jest sprawą nadrzędna. Jednak koszt zaworów (tyrystorów lub tranzystorów) jest znaczny. W związku z tym półprzewodnikowe przyrządy mocy wymagają również ochrony. W przypadku zwarć międzyprzewodowych, do masy można dobierać przeciążalność prądową tak, że nie ulegną one uszkodzeniu przy przepływie prądu zwarcia. Zwykle wymaga się jednak, aby zwarcie zostało wyłączone w okresie kilkudziesięciu milisekund, co zwykle powodują bezpieczniki szybkie.

Bezpieczniki szybkie należy brać pod uwagę przy ochronie przeciwporażeniowej jako elementy zabezpieczające ludzi i przekształtnik przed zwarciem.

Ochrona pośrednia obwodów głównych przekształtnika wymaga stosowania skojarzonego systemu różnych środków obejmujących zarówno sama instalacje, jak i pozostałe urządzenia. Środki te zależą od rodzaju przekształtnika, jego mocy oraz sposobu zasilania. W przypadku przekształtników umieszczonych w obudowach I klasy ochronności, do podstawowych środków skojarzonego systemu należą połączenia wyrównawcze między częściami składowymi układu energoelektronicznego i magistralą uziemiającą.

Istotnym środkiem ochrony przeciwporażeniowej są połączenia wyrównawcze, gwarantujące ekwipotencjalizację stanowiska pracy, ponieważ układy energoelektroniczne mogą być wyłączane ze znacznym opóźnieniem.

Istotny element ochrony pośredniej stanowi szyna ochronna PE, instalowana wewnątrz obudowy przekształtnika, która powinna być połączona przewodem ochronnym z zaciskiem ochronnym PE rozdzielni zasilającej. Z szyną tą powinny być połączone przewodami wyrównawczymi, mocowanymi w sposób pewny, wszystkie części składowe układu i części przewodzące obce. W obwodach niskiego napięcia układów sterowania z reguły nie stosuje się bezpieczników. Zwykle wyposaża się je w układy elektroniczne ograniczające prąd w przypadku zwarcia obwodu wyjściowego zasilacza.