Ustrezna zaščita pogonov motorjev
V današnji industriji se izogibanje »izpadom delovanja« lahko enači z ustvarjanjem dobička
Zgornja trditev vse bolj odraža aktualne razmere v industriji. Zanesljivost proizvodnih sistemov postaja vse pomembnejša – in bo v prihodnje še bolj. Vsi si želimo, da bi naše naprave delovale brezhibno, a kadar pride do okvare, jo je treba odpraviti čim hitreje, saj vsaka ura izpada pomeni izgubo prihodka. Kljub prepričanju mnogih projektantov, da je mogoče motorne pogone zaščititi zgolj z inštalacijskimi odklopniki, izkušnje kažejo, da notranji del frekvenčnega pretvornika ostaja nezaščiten pred kratkimi stiki.
Ključne besede: mehki zagon, frekvenčni pretvornik, IGBT, varovalke za zaščito polprevodnikov.
 | Brane Lebar Specialist za produktno skupino |
Odkar so mehki zaganjalniki in frekvenčni pretvorniki postali sestavni del sodobne proizvodnje – predvsem zaradi zmanjšanja stroškov energije in vzdrževanja – na trgu vlada precejšnja zmeda glede ustrezne električne zaščite teh naprav. Posledično je veliko motornih pogonov še vedno nezadostno zaščitenih. Žal vsi projektanti, vzdrževalci in uporabniki ne poznajo prednosti uporabe varovalk za zaščito polprevodnikov.
Pred leti so imeli mehki zaganjalniki in tudi frekvenčni pretvorniki vgrajene varovalke za zaščito polprevodnikov. Ko pa so postajali vse manjši, so proizvajalci odločitev o ustrezni zaščiti prepustili uporabniku in podali priporočila, katere varovalke ali zaščite uporabiti. To je postala uveljavljena praksa pri mehkih zaganjalnikih (z nekaj izjemami), ne pa tudi pri frekvenčnih pretvornikih. Pri teh projektanti pogosto menijo, da je zaščita z inštalacijskimi odklopniki (karakteristika C) zadostna. Ustrezna zaščita motornih pogonov in testiranje te zaščite sta sicer opredeljena v standardu IEC 61800-5 (Polprevodni pretvorniki za regulacijo hitrosti motorjev).
Slika 1: Blok shema frekvenčnega pretvornika
Nekateri trdijo, da zadošča elektronska zaščita, nameščena med frekvenčnim pretvornikom in motorjem. Toda zadnje izkušnje kažejo, da to ne drži, saj notranji del pretvornika ni ustrezno zaščiten pred kratkimi stiki.
Pri frekvenčnih pretvornikih se lahko pojavijo najmanj tri vrste okvar:
1. Zastoj motorja
2. Izpad nadzora nad izhodnimi IGBT tranzistorji
3. Kratek stik na kondenzatorju – DC del
Zastoj motorja (Ik3): Težke delovne razmere pogosto povzročijo zastoj motorja iz različnih razlogov (temperatura, ležaji, mehanske ovire, poškodbe). To povzroči povečanje toka skozi dušilko, kar pretvornik zazna in tok prekine. Vendar takšna elektronska zaščita zaradi prenapetosti na kablih in drugih vplivov ne zagotavlja stoodstotne zaščite. Sčasoma pride tudi do degradacij komponent, kar še dodatno zmanjša njeno zanesljivost.
Izpad nadzora nad IGBT tranzistorji (Ik2): Frekvenčni pretvornik je elektronska naprava, občutljiva na motnje iz okolja. Takšna motnja, ki običajno pride v pretvornik preko kabla, lahko povzroči napačno delovanje izhodnih tranzistorjev, kar lahko vodi do sočasnega prevajanja dveh tranzistorjev in posledično do kratkega stika.
Kratek stik na kondenzatorju (Ik1): Kondenzator v DC delu frekvenčnega pretvornika je najbolj podvržen procesu staranja. Po približno 5–8 letih njegova kapaciteta pade na dve tretjini začetne vrednosti – če deluje v normalnih pogojih (Tamb = največ 40 °C). Za vsakih dodatnih 10 °C se njegova življenjska doba prepolovi. Kondenzator se tudi mehansko deformira, kar lahko povzroči kratek stik.
Slika 2: Kratek stik na kondenzatorju
Sodobni frekvenčni pretvorniki so zasnovani modularno. Napajalni in izhodni del sta zalita s smolo, kar onemogoča kakršno koli popravilo ali zamenjavo poškodovanih delov. Ob okvari je običajno treba zamenjati celoten pretvornik.
Tega se lahko izognemo le z uporabo ustrezno dimenzioniranih varovalk za zaščito polprevodnikov, ki bodo zaščitile frekvenčni pretvornik pred kratkimi stiki tako znotraj kot zunaj naprave.
Ali uporaba gG varovalk za zaščito pogonov izpolnjuje varnostne zahteve standarda IEC 61800-5?
Argument v prid uporabi gG varovalk (ali inštalacijskih odklopnikov) običajno zveni takole: »Če pride do notranje okvare naprave, bo nekaj poškodovano, ne glede na to, ali uporabljamo hitre varovalke za zaščito polprevodnikov. Napravo lahko vedno zamenjamo. Tudi če gG varovalke povzročijo več škode, ni bistvene razlike med uporabo gG in gR varovalk.«
Če je izbira gG varovalk osnovana na I²t-vrednosti (10 ms) glede na polprevodniško komponento, ki ne povzroči resne eksplozije, in če smo popolnoma prepričani, da varovalke ne bomo zamenjali, dokler ne odpravimo napake, je ta argument teoretično sprejemljiv. Ne smemo pa pozabiti, da standard IEC 61800-5 zahteva, da je »vedno treba testirati vsaj eno napako«.
Kaj pa se zgodi, če varovalko zamenjamo, vsa razpoložljiva energija pa se osredotoči v točko napake na polprevodniškem elementu? To se dogaja vsakodnevno – v stotinah, celo tisočih tovarn.
V praksi gG varovalke med seboj zelo variirajo, kar pomeni, da je sproščena energija (če zamenjamo varovalko in ponovno zaženemo napravo, ne da bi zaznali napako) lahko bistveno večja. Proizvajalci pogonov vztrajajo, da je treba »vedno uporabljati enake varovalke, kot so priporočene v tehničnih navodilih«. Vzdrževalno osebje pa pogosto meni, da je »gG varovalka pač gG varovalka« in uporabi tisto, ki jo ima na zalogi ali jo lahko hitro kupi. Če je edini argument za uporabo gG varovalk njihova razpoložljivost, se postavlja vprašanje, kakšna je prednost uporabe takih varovalk, če naj bi po priporočilih proizvajalca uporabljali originalne nadomestne dele.
Najslabši scenarij – ki se žal pogosto zgodi – nastopi, ko vzdrževalci odstranijo zaščitne elemente (varovalke) in pustijo pogon odprt, kljub priporočilom proizvajalca (pogosto zato, da preverijo delovanje). To se dogaja vsakodnevno po vsem svetu.
Po več notranjih okvarah, ki jih naprava »preživi« brez posledic, se mnogi odločijo preveriti, ali še vedno deluje pravilno. Če tega ne storimo, se energija ob vsakem naslednjem izpadu kopiči. Če pa vzdrževalci pustijo vrata odprta, obstaja dodatna nevarnost za njih same (ne le za opremo) v primeru eksplozije tiristorja ali IGBT tranzistorja.
Slika 3: Posledica eksplozije IGBT tranzistorja
Priporočene varovalke za frekvenčni pretvornik V/f
Priporočene varovalke za AC vektorski pretvornik
Cena tipičnega frekvenčnega pretvornika moči 5 kW lahko doseže nekaj tisoč evrov, medtem ko je strošek ustrezne zaščite z varovalkami za zaščito polprevodnikov (pri uporabi cenovno ugodnih cilindričnih varovalk) le nekaj evrov – odvisno od nazivnega toka.
Da bi preprečili nepredvidljive okvare, je treba varovalke za zaščito polprevodnikov vgraditi že ob montaži sistema, ne šele kasneje, ko ugotovimo, da brez njih ni mogoče zagotoviti ustrezne zaščite in ko je škoda že nastala. Sodobni pristopi v vzdrževanju že zahtevajo pravilno zaščito opreme. Če to zahtevo izpolnite, si lahko zagotovite tudi popuste pri sklepanju vzdrževalnih pogodb, v vsakem primeru pa okrepite svoj pogajalski položaj.
Vsem, ki bi želeli o temi izvedeti več, priporočam članek »Short circuit protection of Variable Speed drives« avtorja Per Reinholdta.