Sähkönlaadun ylläpito automaatiojärjestelmissä

Aikaisemmassa Digi-Keyn artikkelissa tarkasteltiin verkkojännitteen ongelmia ja tällaisia sähkön laatuun vaikuttavia ongelmia on puolisen tusinaa (mukaan lukien jännitepiikit, sähkökatkot, vaihteleva taajuus ja kohina) ja ne saattavat aiheutua fluktuaatioista paikallisessa sähköverkossa. Asioita vaikeuttaa se, että variaatiot saattavat aiheutua myös jokaisesta sähkökäyttöisestä automaatiolaitteesta. Onneksi tässä käsiteltävät komponentit auttavat tällaisissa sähkötehon konsistenssiongelmissa. Nämä virtalähteet ja muut tehokomponentit saavat koneet toimimaan parhaimmillaan ja ne estävät sitä, että koneet vaikuttaisivat haitallisesti paikalliseen sähköverkkoon.

Kuva 1: Tämä PULS CP -sarjan yksivaiheinen virtalähde asennetaan teollisuusautomaatiossa yleisesti käytettävään DIN-kiskoon. Sen ominaisuuksiin kuuluvat korkea immuniteetti transienteille ja jännitepiikeille samoin kuin alhaiset sähkömagneettinen häiriöt, DC-OK-relekontakti, 20 % lähtötehoreservi (käsitellään myöhemmin tässä artikkelissa) sekä minimaalisen kytkentäsysäysvirta. Erityisellä tavalla pinnoitettu virtalähde tarjoaa myös aktiivisien tehokertoimen korjauksen (PFC). (Kuvan lähde: EE World)

Laitteista aiheutuvien sähkönlaatuongelmien kaksi päätyyppiä ovat kohina ja harmoniset yliaallot.

Sähkötehossa sähköinen kohina tarkoittaa korkeataajuisia jännitevariaatioita. Korkea taajuus on suhteellista, mutta se tarkoittaa aina järjestelmän vaihtovirtataajuutta huomattavasti korkeampia taajuuksia. Aikatasossa katsottuna vaihtovirran tulisi näyttää puhtaalta ja tasaiselta siniaallolta. Kohina tekee aallosta rosoisen ja karkean.

Koneiden käyttöjännitteessä on aina jonkin verran kohinaa, mikä aiheutuu käytettävien sähköjohtojen vastuksesta. Tällaista kohinaa kutsutaan lämpökohinaksi ja se on tavallisesti häviävän pieni häiriötekijä. Paikalliset kuormat kuten hitsaajat ja sähkömoottorit synnyttävät merkittävämpää ja mahdollisesti haitallisempaa kohinaa. Tällaisten komponenttien ja järjestelmien synnyttämää kohinaa voi usein olla vaikea kvantifioida ja se muodostaa suurimman riskin, jossa sille altistuvien laitteiden alikomponentit saattavat ylikuumentua, kulua ja jopa vikaantua.

Sähkövirran harmoniset yliaallot ovat jännite- tai sähkövirtahäiriöitä taajuuksilla, jotka ovat järjestelmän vaihtovirtataajuuden kokonaislukukerrannaisia. Näitä aiheuttavat sellaiset epälineaariset kuormat kuten tasasuuntaajat, tietokoneiden virtalähteet, loisteputkilamput sekä tietyn tyyppiset nopeudeltaan säädettävät sähkömoottorit. Sähkövirran yliaallot tapaavat olla suurempia kuin jännitteen yliaallot ja itse asiassa ne tapaavat synnyttää jälkimmäisiä.

Kuva 2: Harmoniset yliaallot ovat jonkin perusaaltomuodon taajuuden monikertoja, jotka (sähköisissä järjestelmissä) voivat summaantua perusaaltomuotoon ja aiheuttaa ongelmia. Harmoniset yliaallot syntyvät tyypillisesti jostain sähköisestä kuormasta tai järjestelmään kytketystä koneesta. (Kuvan lähde: Design World)

Nämä sähkövirran harmoniset yliaallot (johtuen tavasta, jolla ne indusoivat lämmön generointia) saattavat dramaattisesti heikentää sähkömoottorien tehoa ja elinikää. Ne saattavat myös synnyttää värähtelyä ja vääntömomentin sykintää sähkömoottoreiden mekaanisessa lähdössä. Tämä lyhentää moottoreihin yhdistettyjen voimansiirron alikomponenttien elinikää, erityisesti akselin tukilaakereiden.

Sähköjärjestelmän avainparametrit

Virtalähteiden kaksi tärkeää tietoa ovat tehokerroin ja pitoaika.

Tehokertoimella ei ole dimensiota vaan se on suhdeluku, jota käytetään kuvaamaan pätötehon eroa näennäistehoon vaihtovirtajärjestelmissä. Näennäisteho on pätötehon ja reaktiivisen tehon kombinaatio. Reaktiivinen teho puolestaan tulee verkosta, se tallennetaan hetkellisesti ja sen jälkeen palautetaan käyttämättä. Tämä aiheutuu tyypillisesti induktiivisista tai kapasitiivisista kuormista, jotka johtavat siihen, että sähkövirta ja jännite ovat eri vaiheessa. Reaktiivinen teho lisää virranjakelujärjestelmien kuormitusta, heikentää sähkön laatua ja kasvattaa sähkölaskua.

Järjestelmän tehokerroin on ideaalisesti yksi – mikä tarkoittaa, ettei järjestelmässä ole reaktiivista tehoa. Jos järjestelmän tehokerroin on alle 0,95, se kasvattaa sähkönjakelujärjestelmän kuormitusta ja saattaa kasvattaa reaktiiviseen tehoon liittyvää sähkölaskua.

Kuva 3: Tässä näytetään TML 100C -sarjan 85–100 watin AC-DC-tehomoduuli Traco Powerilta. Aktiivinen tehokertoimen korjaus (PFC) varmistaa, että tehokerroin on yli 0.95 (230 V_AC) ja yli 0.99 (115 V_AC). (Kuvan lähde: Traco Power)

Pitoaika kertoo miten kauan virtalähde jatkaa virran syöttämistä määrätyllä jännitteellä sähkökatkon aikana. Tarkastellaanpa keskeytymätöntä UPS-virransyöttöä (Uninterruptible Power Supply) ja generaattoreita, kahta varavirtatyyppiä, joita käytetään automatisoitujen toimintojen jatkamiseksi sähkökatkojen ja jännitteenlaskujen aikana. Kuten tämän artikkelin loppuosassa tarkastellaan yksityiskohtaisemmin, UPS-laitteen on tarjottava virtaa riittävän kauan. UPS-laitteen mallista riippuen niissä saattaa olla jopa 25 millisekunnin viive sähkökatkon alkamisesta siihen kun UPS alkaa syöttää virtaa.

Virtalähteen pitoajan ansiosta virtalähde voi ylittää tämän katkon, suurelta osin sen kondensaattoreihin varastoituneen energian avulla. Itse asiassa hakkurivirtalähteissä tapaa olla pidemmät pitoajat kuin lineaarisissa virtalähteissä, koska niissä käytetään korkeajännitteisiä kondensaattoreita.

Muita ominaisuuksia koneista johtuvien teho-ongelmien korjaamiseksi

Maadoitus, erotus ja suodatuksen tarjoavat tehomuuntimet muodostavat laadukkaan virtalähteen perustan.

Maadoitus: Kunnollinen maadoitus on oleellinen tekijä jotta virtalähde voisi toimia oikein. Se toimii referenssijännitteenä (josta kaikki muut jännitteet mitataan) ja paluureittinä sähkövirralle. Katso lisätietoja tästä aiheesta Digi-Keyn artikkelista Mitä sinun täytyy tietää maadoitusvian tunnistamisesta ja suojauksesta sitä vastaan.

Erotus: Vaikka ei-erotetut virtalähteet voivat olla energiatehokkaampia ja kompaktimpia, tulo- ja lähtöjännitteiden välinen erotus estää vaarallisen korkeita jännitteitä pääsemästä lähtöön vaikka jokin komponentti vikaantuisikin. Erotusta saatetaan vaatia myös käyttäjien suojaamiseksi vaarallisilta jännitteiltä sekä laitteiden suojaamiseksi transienteilta ja ylijännitteiltä.

Erotusmuotoihin kuuluvat:

• Fyysinen erotus komponenttien välillä
• Induktiivinen kytkeytyminen muuntajan kautta – tehomuuntimet, jotka muuttavat virtajärjestelmän jännitettä
• Optinen kytkeytyminen, sopii parhaiten signaalien siirtoon virtajärjestelmän eri osien välillä, tarjoaa erittäin korkean erotustason

Kuva 4: Virtalähteet toimivat usein tehomuuntimina joko 1) muuttaen vaihtovirtalähteen jännitettä tai taajuutta tai 2) tasasuunnaten tai muulla tavoin muuntaen vaihtovirran tasavirraksi. Esimerkki: Tämä 48 V 400 W AC/DC pulssi-taajuus-moduloitu (PFM) muunnin yritykseltä Vicor Corp. tarjoaa integroidun suodatuksen ja ylijännitesuojauksen transientteja vastaan. Yksi varoitus: Vicor Integrated Adapter (VIA) -muunnin hyväksyy tulojännitteen ainoastaan ulkoisesta tasoitetusta sinimuotoisesta vaihtovirtalähteestä. Moduuli säilyttää tehokertoimen. Harmoniset yliaallot noudattavat standardia IEC 61000-3-2 ja sisäinen suodatus mahdollistaa yhteensopivuuden sovellettavien virtapiikki- ja EMI-vaatimusten kanssa. (Kuvan lähde: Vicor Corp.)

Sähkösuodattimet ja virtapiikkien vaimennus: Virtapiikkien vaimennus poistaa transientit ja jännitekasvut sekä suojaa sähkölaitteita tällaisilta ylijännitetilanteilta. Sähkösuodattimet sitä vastoin tasoittavat järjestelmän jännitettä ja poistavat kohinan ja harmoniset yliaallot. Lue lisää teollisien virtalähteiden suodattimista, joita käytetään suurissa lentokoneissa (400 Hz:n virtalähteet) digikey.com-sivuston artikkelissa Virtalähteiden toiminta 400 Hz:n tulojännitteellä. Tai otetaanpa esimerkiksi toinen sähkösuodatintyyppi, joka on erityisen yleinen automatisoiduissa asennuskohteissa käyttöpisteen läheisyydessä – LC-suodattimet – joita käytetään moottorikäyttöjen kumppanina. LC-suodattimet ovat tyypiltään säiliöitä tai resonanssipiirejä (kutsutaan myös viritetyksi piiriksi), joissa halutun taajuinen lähtö generoidaan induktorilla L ja kondensaattorilla C. Moottorien kanssa käytettävien LC-suodattimien tarkoitus on muuntaa ohjaimen suorakulmainen PWM-lähtöjännite tasaiseksi siniaalloksi, jossa on vain vähän jäännösaaltoilua. Etuihin kuuluvat moottorin käyttöiän pidentyminen ehkäistäessä korkeat dv/dt-arvot, ylijännite, ylikuumentuminen sekä pyörrevirtahäviöt.

Kuva 5: Tämä on Schaffner EMC Inc. -yrityksen LC-siniaaltosuodatin, joka auttaa moottoriohjainta syöttämään moottorin käämitykseen tasaista siniaaltoa ilman jännitepiikkejä. Suodatin mahdollistaa myös pidempien moottorikaapeleiden käytön asennuskohteessa. (Kuvan lähde: Schaffner EMC Inc.)

Ylijännitesuojat toimivat joko estämällä tai oikosulkemalla sähkövirran – tai yhdistämällä virtapiikin esto- ja oikosulkutoiminnot.

Ylijännitesuojaus estämällä: Induktorit voivat estää sähkövirtaa vaimentamalla sähkövirran nopeita muutoksia. Useimmat ylijännitesuojat kuitenkin synnyttävät ylijännitetilanteessa oikosulun, jolloin sähkövirta ohjataan takaisin sähkönjakeluun jossa piirin johtimien vastus vaimentaa piikin.

Ylijännitesuojaus oikosulkemalla: Nopea oikosulku (alkaa kun jännite ylittää asetetun tason) muodostetaan kipinävälillä, purkausputkella tai puolijohdelaitteella. Vain harvoin (suurien tai erittäin pitkien piikkien aikana) piikit sulattavat ylijännitesuojan virtajohdot tai sen sisäisiä komponentteja. Myös kondensaattorit voivat vaimentaa äkillisiä jännitemuutoksia.

Ylijännitesuojien tärkeimpiin tietoihin kuuluvat rajoitusjännite, vasteaika sekä energialuokitus. Rajoitusjännite – tunnetaan myös nimellä läpipäästöjännite – on maksimijännite, joka päästetään ylijännitesuojan lävitse. 120 voltin laitteilla rajoitusjännite on tyypillisesti 220 V. Energialuokitus (tyypillisesti jouleissa) on maksimiteho, jonka laite voi absorboida ennen kuin ylijännitesuojan komponentit palavat ja vikaantuvat.

Tärkeä tekijä, joka usein jätetään huomiotta, on mitä tapahtuu, kun ylijännitesuoja vioittuu. Jos virtapiikki ylittää suojan energialuokituksen ja sen sisäiset komponentit vioittuvat, kyseinen suoja ei voi enää suojata uusilta virtapiikeiltä. Tämä ei kuitenkaan tarkoita että virta olisi katkaistu: jotkin ylijännitesuojat (esimerkiksi palvelimien ja muiden sähköisten muistien suojaamiseen tarkoitetut) jatkavat virran syöttämistä vikaantumisen jälkeenkin. Ainoa merkki siitä, ettei laite enää tarjoa ylijännitesuojausta, voi olla varoitusvalo. Toiset ylijännitesuojat katkaisevat vikaantuessaan sähkövirran tai vähentävät siirrettävä tehoa.

UPS-laitteet täydentävät generaattoreita kriittisissä sovelluksissa

UPS-laitteet ja varavirtageneraattorit varmistavat toiminnan jatkumisen sähkökatkojen ja jännitteenlaskujen aikana. UPS-laitteet käyttävät akkuja ja ne on tyypillisesti suunniteltu tarjoamaan sähköä muutamista minuuteista muutamiin tunteihin. Generaattorit käyttävät moottoria kun sähköä halutaan generoida pitkäkestoisesti. Sähköntuotannon kestoa saattaa rajoittaa vain polttoaineen määrä.

UPS-laitteet vastaavat välittömästi sähkökatkoon ja varmistavat keskeytymättömän sähkönsaannin. Generaattoreiden käynnistys sitä vastoin kestää vähintäänkin useita sekunteja. Sovelluksissa, joissa tarvitaan jatkuvaa sähkönsyöttöä, UPS-laitetta on käytettävä yhdessä generaattorin kanssa syöttämään sähköä sen aikaa kun generaattori käynnistetään.

Kuva 6: Tämä 24 V_DC 5 A UPS (keskeytymätön virransyöttö) asennetaan DIN-kiskoon ja se tarjoaa varavirtaa täydellä teholla jopa 25 minuutin ajan. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

UPS-laitteet suojaavat laitteita sähkökatkoilta. Offline- sekä jännitteestä ja taajuudesta riippuvat UPS-laitteet ovat kustannustehokkaimpia, mutta niissä on kaksi merkittävää puutetta:

• Normaalitilassa offline-upsit ohjaavat virran suoraan lähtöön akun ohitse. Kun UPS-piiri havaitsee sähkökatkon, kytkin yhdistää akun lähtöön invertterin välityksellä. Tämä tarkoittaa, että sähkö saattaa olla katkaistuna jopa 25 millisekuntia.
• Offline-upsit tarjoavat myös hyvin vähän tai ei lainkaan suojausta muita sähkön laatuun liittyviä ongelmia vastaan, esimerkkinä virtapiikit ja kohina.

Sitä vastoin linja-interaktiiviset tai jännitteestä riippumattomat (VI) UPS-laitteet toimivat pohjimmiltaan samalla tavalla kuin jännitteestä ja taajuudesta riippuvaiset UPS-laitteet, mutta niissä on lisänä jännitestabilisaattori, joka parantaa lähtöjännitteen laatua normaalitoiminnan aikana. Tällaisissa järjestelmissä esiintyy yhä kytkentäaika, jonka aikana sähkö on katkaistu, mutta se on tavallisesti vain noin 5 millisekuntia, mikä riittää hyvin useimpien virtalähteiden pitoajan kanssa.

Kun virtalähteen sofistikoitumista nostetaan askel ylöspäin parhaan suojauksen tarjoamiseksi, tullaan online-upseihin, jotka tunnetaan myös jännitteestä ja taajuudesta riippumattomina UPS-laitteina. UPS-laitteissa kuormaa ei ole kytketty verkkovirtaan vaan se aina saa virtansa järjestelmän akusta, jota ladataan jatkuvasti verkkovirrasta. Verkkovirta (vaihtovirta) muunnetaan akun jännitteeseen ja tasasuunnataan tasavirraksi, jolloin sillä voidaan ladata akkua. Tämän jälkeen akun jännite muunnetaan vaihtovirraksi ja sen jännite korotetaan toisella muuntajalla verkkovirran tasolle. Tämä tarkoittaa etteivät verkkovirran sähkönlaatuongelmat vaikuta lähtöön vaan laite toi tarjota hyvin laadukasta sähköä sekä hyvän suojauksen. Tämä kuitenkin tarkoittaa huomattavasti heikompaa energiatehokkuutta sekä korkeampia UPS-kustannuksia heti alkuun.

Offline-ups yhdistettynä virtalähteeseen, jonka pitoaika on riittävän pitkä, on paras vaihtoehto lukuun ottamatta kaikkein herkimpiä ja kriittisimpiä kuormia.

Yhteenveto

Sovelluksen sähkönlaatuvaatimusten selvittäminen on ensimmäinen askel, kun halutaan ehkäistä heikkolaatuisesta verkkovirrasta, sähköisestä kohinasta ja harmonisista yliaalloista aiheutuvat käyttökatkot ja huoltokustannukset Nämä vaatimukset vaihtelevat huomattavasti koneen suunnittelusta ja toiminnoista riippuen. Sen jälkeen kun nämä parametrit on kuitenkin määritetty, suunnittelijat voivat kunnolla määrittää virtalähteet, suodattimet, ylijännitesuojauksen, varavirtalähteen sekä sähkövirran parannuksen. Tämä voi parantaa merkittävästi automaatiolaitteiden luotettavuutta.