Handhaving van de kwaliteit van het elektrisch vermogen binnen geautomatiseerde systemen

Zoals in een eerder DigiKey-artikel over de specifieke kenmerken van vuile netvoeding, zijn er een half dozijn stroomkwaliteitsproblemen (inclusief spanningspieken, stroomonderbrekingen, frequentie-instabiliteiten en ruis) die kunnen ontstaan door schommelingen in het lokale elektriciteitsnet van het nutsbedrijf. Een andere complicerende factor is dat er ook variaties kunnen ontstaan binnen elk elektrisch aangedreven automatiseringsapparaat. Gelukkig zijn er veel componenten om dergelijke problemen met elektrische energieconsistentie aan te pakken. Deze voedingen en andere stroomcomponenten zorgen ervoor dat machines het beste presteren en voorkomen dat machines een negatieve invloed hebben op het lokale elektriciteitsnet van het nutsbedrijf.

Afbeelding 1: Dit PULS CP-serie eenfasige stroomvoorziening wordt op DIN-rail gemonteerd, wat zo gebruikelijk is in industriële automatisering. Kenmerken zijn onder meer een hoge immuniteit voor transiënten en stroompieken, evenals een lage elektromagnetische emissie, een DC-OK-relaiscontact, 20% uitgangsvermogenreserves (later in dit artikel besproken) en een minimale inschakelstroompiek. De speciaal gecoate voeding voert ook de actieve vermogensfactorcorrectie of PFC-functies uit. (Bron afbeelding: EE World))

De twee belangrijkste soorten stroomkwaliteitsproblemen die zich binnen de apparatuur voordoen, zijn ruis en harmonische storingen.

Elektrische ruis in elektrisch vermogen verwijst naar hoogfrequente spanningsvariaties. Hoge frequentie is relatief - maar duidt altijd op frequenties die aanzienlijk hoger zijn dan de ac-frequentie van het systeem. Gezien in het tijdsdomein, zou een ac-stroom moeten verschijnen als een vloeiende sinusoïdale golf. Ruis maakt de golf rafelig en ruw.

Er is altijd wel enig geluid in de elektrische voeding van machines, veroorzaakt door de weerstand van de betrokken geleidende draden. Dergelijke ruis wordt thermische ruis genoemd en is over het algemeen een verwaarloosbare verstoring. Een aanzienlijker en potentieel schadelijker geluid wordt veroorzaakt door lokale belastingen zoals lassers en elektromotoren. Het ruis van dergelijke componenten en systemen is vaak moeilijk te kwantificeren en vormt het grootste risico op oververhitting, slijtage en zelfs uitval van de betrokken onderdelen van de apparatuur.

Elektrische harmonischen zijn spannings- of stroomstoringen bij frequenties die hele veelvouden van de systeemac-frequentie zijn. Ze worden veroorzaakt door niet-lineaire belastingen zoals gelijkrichters, computervoedingen, TL-verlichting en bepaalde soorten elektromotors met variabele snelheid. Stroomharmonischen hebben de neiging om groter te zijn dan spanningsharmonischen en hebben de neiging om deze laatste aan te drijven.

Afbeelding 2: Harmonische golfvormen zijn frequentiegehele veelvouden van een of andere fundamentele golfvorm die (in elektrische energiesystemen) kunnen combineren met de fundamentele golfvorm en problemen kunnen veroorzaken. Harmonischen zijn meestal afkomstig van een elektrische belasting of van een aangesloten machine. (Bron afbeelding: Design World))

Deze elektrische harmonischen (door de manier waarop ze warmte opwekken) kunnen het rendement en de levensduur van elektromotors drastisch verminderen. Ze kunnen ook trillingen en koppelpulsen veroorzaken in het mechanische vermogen van elektromotors, waardoor de levensduur van de in de motors geïntegreerde vermogensoverdrachtscomponenten - met name de asondersteunende lagers - wordt verkort.

Belangrijkste parameters van het voedingssysteem

Twee belangrijke specificaties voor voedingen zijn de krachtfactor en holduptijd.

Krachtfactor is een dimensieloze verhouding die wordt gebruikt om het verschil te beschrijven tussen het werkelijke vermogen en het schijnbare vermogen in ac-systemen. Schijnbaar vermogen is de combinatie van het echte vermogen en het reactieve vermogen. Het reactieve vermogen wordt op zijn beurt weer uit het netwerk gehaald, kortstondig opgeslagen en dan weer teruggestuurd zonder dat het wordt verbruikt. Dit wordt meestal veroorzaakt door inductieve of capacitieve belastingen, waardoor de stroom en de spanning uit fase zijn. Reactief vermogen verhoogt de belasting van de distributiesystemen, vermindert de stroomkwaliteit en leidt tot hogere energierekeningen.

Idealiter heeft een systeem een machtsfactor van één - wat betekent dat er geen reactief vermogen in het systeem aanwezig is. Ontwerpen met vermogensfactoren van minder dan 0,95 veroorzaken een verhoogde belasting van het verdeelsysteem en kunnen leiden tot reactieve vermogenslasten.

Afbeelding 3: Hier wordt een TML 100C-serie, 85-100 Watt AC-to-DC voedingsmodule van Traco Power getoond. De actieve arbeidsfactorcorrectie (PFC) zorgt voor een arbeidsfactor die beter is dan 0,95 (voor 230 V_AC) en beter is dan 0,99 (voor 115 V_AC). (Bron afbeelding: Traco Power)

Holduptijd is hoe lang een voeding binnen de opgegeven spanning kan blijven leveren na een stroomstoring. Denk aan het geval van ononderbreekbare voedingen (UPS) en generators - soorten noodstroom die worden gebruikt om de continuïteit van de automatische werking te garanderen tijdens black-outs en brown-outs. Zoals in het laatste deel van dit artikel nader wordt toegelicht, moet een UPS gedurende een aanzienlijke periode van stroom worden voorzien. Maar afhankelijk van het UPS-ontwerp kunnen deze een vertraging van maximaal 25 msec introduceren tussen een stroomstoring in het elektriciteitsnet en het begin van de stroomlevering door de UPS.

De tijd die nodig is voor de stroomvoorziening maakt het mogelijk om dit gat te overbruggen, grotendeels met behulp van de stroom die is opgeslagen in de condensatoren. In feite hebben switch-mode voedingen de neiging om langere vertragingstijden te hebben dan lineaire voedingen als gevolg van hun hoogspanningscondensators.

Andere functies voor het aanpakken van machine-geïnduceerde stroomproblemen

Aarding, isolatie en gefilterde stroomconvertors vormen de basis voor een hoogwaardige stroomvoorziening.

Aarding: Een goede aarding is essentieel voor een goede werking van de voeding. Het geeft een referentiespanning (waaruit alle andere spanningen worden gemeten) en een retourpad voor elektrische stroom. Lees het DigiKey-artikel Alles wat u moet weten over aardfoutdetectie en -beveiliging voor meer informatie over dit onderwerp.

Isolatie: Hoewel niet-geïsoleerde voedingen energiezuiniger en compacter kunnen zijn, beschermt isolatie tussen de ingangs- en uitgangsspanning tegen gevaarlijke spanningen die naar de uitgang gaan in het geval van een componentstoring. Isolatie kan ook nodig zijn om bedieners te beschermen tegen gevaarlijke spanningen of om apparatuur te beschermen tegen transiënten en zwellingen.

Vormen van isolatie zijn onder andere:

• Fysieke isolatie tussen de componenten
• Inductieve koppeling via een transformator - vermogensconvertors die de spanning van een vermogenssysteem veranderen
• Optische koppelingen - die het meest geschikt zijn voor de signaaloverdracht tussen verschillende onderdelen van een stroomsysteem en tegelijkertijd een zeer hoog isolatieniveau garanderen.

Afbeelding 4: Voedingen functioneren vaak als voedingsconvertor om ofwel 1) de spanning of frequentie van een ac-bron te veranderen of 2) de ac-voeding te rectificeren of om te zetten in dc. Een goed voorbeeld: Deze 48-V 400-W AC-naar-DC pulsfrequentiegemoduleerde (PFM) convertor van Vicor Corp. heeft geïntegreerde filtering en transiënte overspanningsbeveiliging. Een voorbehoud: De Vicor Integrated Adapter (VIA) convertor accepteert alleen input van een externe gerectificeerde sinusoïde ac-bron - met een krachtfactor die door de module in stand wordt gehouden. De harmonischen voldoen aan IEC 61000-3-2 en de interne filtering maakt het mogelijk om te voldoen aan de geldende piekstroom- en EMI-vereisten. (Bron afbeelding: Vicor Corp.))

Elektrische filters en piekstroomonderdrukking: Piekstroomonderdrukking verwijdert transiënten en zwelt op, waardoor elektrische apparatuur wordt beschermd tegen de gevolgen van deze overspanningscondities. In tegenstelling, elektrische filters zorgen ervoor dat de systeemspanning wordt afgevlakt om ruis en harmonischen te verwijderen. Lees over de filters op industriële voedingen die gebruikt worden in grote vliegtuigen (met 400 Hz elektrische bronnen) in het digikey.com artikel Stroomvoorziening op een bron van 400 Hz. Of denk aan een ander type elektrisch filter dat vooral in geautomatiseerde installaties in de buurt van het gebruikspunt gebruikelijk is - LC-filters - als aanvulling op de motordrives. LC-filters zijn een type tank of resonantiecircuit (ook wel afgestemd circuit) met een inductor L en een condensator C om uitgang te genereren bij een ingestelde frequentie. LC-filters voor motors dienen meestal om de rechthoekige PWM-uitgangsspanning van een aandrijving om te zetten in een gladde sinusgolf met een lage restrimpel. De voordelen zijn onder meer de verlenging van de levensduur van de motor door het vermijden van hoge dv/dt, overspanning, oververhitting en wervelstroomverliezen.

Afbeelding 5: Dit is een Schaffner EMC Inc. LC-sinusgolffilter om motordrives te helpen soepele sinusgolven te leveren in aangesloten motorwikkelingen zonder spanningspieken. Het filter maakt ook installaties met langere motorkabellengtes mogelijk. (Bron afbeelding: Schaffner EMC Inc.))

Overspanningsbeveiligingen werken door het blokkeren of kortsluiten van stroom - of door het combineren van piekstroomblokkering en kortsluiting.

Bescherming via blokkering: Stroom kan worden geblokkeerd met inductors die plotselinge stroomveranderingen dempen. De meeste overspanningsbeveiligingen maken echter kortsluiting als er overspanning optreedt en leiden de stroom terug naar de stroomverdeelleidingen waar deze wordt afgevoerd door de weerstand in de draden van het circuit.

Bescherming via kortsluiting: Snelle kortsluiting (geactiveerd wanneer de spanning een ingesteld niveau overschrijdt) wordt gedaan met een vonkbrug, een ontladingsbuis of een halfgeleiderapparaat. Slechts zelden (tijdens grote of zeer langdurige pieken) smelten de stroomleidingen of interne componenten van de piekstroombeschermer door piekspanningen. Condensators kunnen ook plotselinge spanningsveranderingen dempen.

De belangrijkste specificaties voor overspanningsbeveiligingen zijn onder andere de klemspanning, de reactietijd en de energiewaarde. De klemspanning - ook bekend als doorlaatspanning - is de maximale spanning die door de overspanningsbeveiliging mag lopen. Het is typisch voor 120 V apparaten om een klemspanning van 220 V te hebben. De energiewaarde (meestal in joule) is het maximale vermogen dat kan worden geabsorbeerd voordat componenten binnen de overspanningsbeveiliging doorbranden en defect raken.

Een belangrijke maar vaak over het hoofd geziene specificatie voor overspanningsbeveiligingen is wat er gebeurt als de overspanningsbeveiliging faalt. Als een piek hoger is dan de energiewaarde van de beschermer en de interne subcomponenten falen, zal die beschermer niet langer in staat zijn om zich te beschermen tegen verdere pieken. Maar dit betekent niet dat de stroom wordt onderbroken: sommige overspanningsbeveiligingen (zoals sommige ontworpen om de server of ander elektronisch geheugen te beschermen) blijven stroom leveren na een storing. De enige aanwijzing dat er geen overspanningsbeveiliging meer bestaat, kan een waarschuwingslampje zijn. Andere overspanningsbeveiligers onderbreken inderdaad de stroomtoevoer of verminderen de stroomtoevoer wanneer deze uitvalt.

UPS-systemen vormen een aanvulling op generatoren in kritische toepassingen

UPS-systemen en generatoren voor noodstroomvoorziening zorgen voor de continuïteit van de werkzaamheden tijdens black-outs en brown-outs. UPS-systemen werken op batterijen en zijn meestal ontworpen om een paar minuten tot een paar uur stroom te leveren. Generators gebruiken een motor om langdurig vermogen op te wekken, alleen beperkt door de beschikbare brandstof.

UPS-systemen zorgen voor een onmiddellijke reactie op een stroomonderbreking, zodat de stroomtoevoer ononderbroken is. Generators daarentegen hebben een opstarttijd van minstens enkele seconden. Voor toepassingen waarbij continu stroom nodig is, moet een UPS worden gecombineerd met een generator om stroom te leveren terwijl de generator opstart.

Afbeelding 6: Deze 24 V_DC 5 A ononderbroken stroomvoorziening (UPS) wordt op een DIN-rail gemonteerd en zorgt voor maximaal 25 minuten back-upstroom bij volledige belasting. (Bron afbeelding: Phoenix Contact))

UPS-systemen beschermen de apparatuur tegen stroomuitval. Offline of spannings- en frequentie-afhankelijke UPS-systemen zijn het meest kosteneffectief, maar hebben twee grote tekortkomingen:

• Onder normale omstandigheden, gaan offline UPS'en stroom direct voorbij de batterij naar de uitgang. Wanneer de UPS-circuits een stroomstoring detecteren, verbindt een schakelaar de batterij via een omvormer met de uitgang. Dit betekent dat de stroom tot 25 msec. kan worden onderbroken.
• Offline UPS-systemen bieden ook weinig tot geen bescherming tegen andere stroomkwaliteitsproblemen zoals pieken en lawaai.

Een lijninteractieve of spanningsonafhankelijke (VI) UPS werkt daarentegen in principe op dezelfde manier als een spannings- en frequentie-afhankelijke UPS, maar heeft een extra spanningsstabilisator om de kwaliteit van de stroomtoevoer onder normale omstandigheden te verbeteren. Dergelijke systemen vertonen nog steeds een omschakeltijd waarin de stroom wordt onderbroken - maar het is meestal slechts 5 msec of zo, wat ruim binnen de overvaltijd van de meeste voedingen ligt.

Om de beste bescherming te bieden, gaat de verfijning van de stroomvoorziening nog een stap verder met online UPS'en, ook wel bekend als spannings- en frequentieonafhankelijke UPS'en. Bij UPS-systemen wordt de belasting niet direct aangesloten op het elektriciteitsnet, maar wordt deze altijd uit de systeembatterij gehaald, die continu door het elektriciteitsnet wordt opgeladen. De netspanning wordt omgezet in accuspanning en gecorrigeerd naar gelijkstroom, zodat de accu kan worden opgeladen. Het vermogen van de batterij wordt dan omgekeerd om ac te produceren en opgevoerd door een andere transformator naar de netspanning. Dit betekent dat stroomkwaliteitsproblemen in de voeding geen invloed hebben op de output en dat er een zeer hoog niveau van stroomkwaliteit en bescherming wordt geboden. Het resulteert echter ook in een aanzienlijk lagere energie-efficiëntie en hogere kosten van de UPS-systemen.

Voor alles behalve de meest gevoelige en kritische belastingen is een offline UPS gekoppeld aan een voeding met voldoende vertragingstijd een betere keuze.

Conclusie

Het bepalen van de eisen die een ontwerp stelt aan de stroomkwaliteit is de eerste stap naar het voorkomen van stilstand en onderhoudskosten door vuile nutsvoorzieningen, elektrische ruis en harmonischen. Deze eisen variëren aanzienlijk afhankelijk van het ontwerp van de machine en de functies ervan. Echter, zodra deze parameters zijn gedefinieerd, kunnen de ontwerpers op de juiste manier voedingen specificeren met filters, piekstroomonderdrukking, noodstroom, en vermogensconditionering. Dit kan de betrouwbaarheid van geautomatiseerde apparatuur sterk verbeteren.