ZASILANIE I ZABEZPIECZANIE OBWODÓW STEROWNICZYCH.pdf

Edward MUSIAŁ

Oddział Gdański SEP

ZASILANIE I ZABEZPIECZANIE OBWODÓW STEROWNICZYCH 1

Obwody sterownicze, czyli obwody sterowania, regulacji, sygnalizacji, zabezpieczeń i pomiarów są przy projek-

towaniu analizowane ze względu na generowanie i detekcję oraz przenoszenie i przetwarzanie sygnałów, w tym złożo-

ne funkcje logiczne, jakie spełniają. Wielu projektantów nie przykłada należytej wagi do sposobu zasilania tych obwo-

dów, ani do ich zabezpieczeń, niesłusznie uważając te problemy za błahe, dlatego że obwody sterownicze pracują przy

niskich poziomach mocy. Kwestie te mają jednak duże znaczenie dla niezawodności obwodów sterowniczych, a tym

samym – dla niezawodności obsługiwanych przez nie urządzeń elektroenergetycznych, procesów technologicznych i

innych obiektów, zwłaszcza wszelkich systemów bezpieczeństwa.

1. Przykłady zakłóceń w obwodach sterowniczych

Obwody sterownicze urządzeń elektroenergetycznych, maszyn i urządzeń produkcyjnych oraz

innych obiektów technicznych służą do regulacji, sygnalizacji, blokad i uzależnień, pomiarów oraz

zabezpieczeń. Pełnią pomocnicze, ale ważne funkcje w stosunku do obwodów głównych, urządzeń

technologicznych i innego wyposażenia obiektów. Ich koncepcja i praktyczna realizacja powinna

gwarantować należytą funkcjonalność, ale również dużą niezawodność, niewrażliwość na najbar-

dziej prawdopodobne uszkodzenia i zakłócenia, a w każdym razie minimalizację ryzyka w razie

wystąpienia uszkodzenia. Innymi słowy, w miarę możliwości obwody te powinny być bezpieczne

w razie uszkodzenia . Minimalnym wymaganiem jest, aby pojedyncze dość prawdopodobne

uszkodzenie (zwarcie doziemne, zwarcie międzyprzewodowe lub przerwanie przewodu) nie powo-

dowało nieoczekiwanego niebezpiecznego zachowania się sterowanego urządzenia i nie uniemoż-

liwiało jego awaryjnego zatrzymania [2, 4, 5, 6, 8, 9].

Rys. 1. Obwód sterowniczy zasilany bezpośrednio z trójfazowego obwodu głównego TN .

Uznane reguły techniczne:

− zasilanie napięciem fazowym, a nie napięciem międzyprzewodowym,

− zabezpieczony tylko przewód fazowy L,

− każdy element wykonawczy jednym zaciskiem przyłączony bezpośrednio do przewodu uziemionego N.

Jak łatwo przeoczyć te wymagania, najlepiej prześledzić na prostym przykładzie, a zauważo-

ne prawidłowości można odnosić do obwodów bardziej złożonych. Niech za przykład posłuży ob-

wód sterowania pojedynczego stycznika elektromagnesowego impulsem krótkotrwałym (z samo-

podtrzymaniem). Obwód jest zasilany dwoma przewodami, z których jeden zwykle jest uziemiony.

Jeden zacisk cewek styczników i przekaźników oraz wszelkich innych elementów wykonawczych

(mikrosilników, zaworów elektromagnetycznych itp.), a także elementów sygnalizacyjnych

(wskaźników świetlnych i akustycznych) powinien być przyłączony bezpośrednio do uziemionego

bieguna źródła zasilania, np. do przewodu neutralnego N (rys. 1). Ta zasada obowiązuje również

1 Referat dra inż. Edwarda Musiała w zbliżonej wersji znalazł się w programie konferencji „AUTOMATYKA, ELEK-

TRYKA, ZAKŁÓCENIA”, która odbyła się w dniach 13-16 czerwca 2007 r. w Juracie. Niniejszy tekst, uwzględnia-

jący wydaną w międzyczasie normę PN-EN 61558-2-2:2007 (U), publikujemy w porozumieniu z firmą INFOTECH

z Gdańska, organizatorem konferencji.

wtedy, gdy przewodem uziemionym jest jeden z przewodów czynnych, np. L1 lub L2 przy prądzie

przemiennym albo L+ lub L– przy prądzie stałym. Ma ona kapitalne znaczenie dla bezpieczeństwa

użytkowania urządzeń.

Rys. 2 . Zachowanie się błędnie przyłączonego obwodu sterowania w następstwie zwarcia doziemnego:

a) następuje niezamierzone zamknięcie stycznika; b) otwarcie stycznika przyciskiem O (ZATRZYMANIE) nie jest

możliwe .

W obwodach sterowniczych występują niewzbudzające respektu przewody o małym przekro-

ju i niedużej grubości izolacji; mogą to być wiązki przewodów o dużej długości (nawet ponad

300 m), układane również − czasem niedbale − na przewodzącym podłożu. Łatwo o zwarcie do-

ziemne w obwodzie sterowniczym, ale takie zdarzenie nie powinno powodować następstw zagraża-

jących bezpieczeństwu ludzi bądź sterowanych urządzeń.

Zamiana przewodów zasilających obwód sterowniczy i w rezultacie przyłączenie jednego za-

cisku cewki bezpośrednio do przewodu fazowego L sprawia, że w razie zwarcia doziemnego w

miejscu przedstawionym na rys. 2 otwarty stycznik nieoczekiwanie zamyka się i załącza silnik, a

zamkniętego stycznika nie można otworzyć naciskając przycisk O (ZATRZYMANIE). W podobny

sposób można wykazać groźne konsekwencje innego naruszenia podanej wyżej zasady.

L1 L2 L3 N

Rys. 3 . Obwód sterowania stycznika impulsem krótkotrwałym: a) układ poprawny; b) układ błędny

Poprawny układ sterowania pojedynczym stycznikiem, przedstawiony w postaci rozwiniętej

na rys. 1, można narysować w postaci schematu zasadniczego, jak na rys. 3a. Przyciski ( I, O ) mogą

znajdować się daleko od stycznika i łatwo o omyłkową zamianę przewodów do nich doprowadzo-

nych. Bywa, że po przyłączeniu przewodów i sprawdzeniu, że nie ma zwarcia, elektryk przyłącza

napięcie sterownicze i sprawdza poprawność połączeń: naciska przycisk I i stycznik zamyka się,

naciska przycisk O i stycznik otwiera się. Na tej podstawie wnioskuje, że połączenia są poprawne,

ale tak będzie w obydwu przypadkach przedstawionych na rys. 3. Wnioskowanie jest błędne, bo

układ b) jest niepoprawny, a zatem przyjęta procedura sprawdzania jest fałszywa, a co najmniej

niekompletna. Aby zrozumieć istotę popełnionego błędu i możliwe jego konsekwencje, najlepiej

spojrzeć na schematy rozwinięte obydwu układów (rys. 4). W sytuacji zagrożenia może się zdarzyć,

że pracownik zechce wyłączyć urządzenie naciskając bezwiednie obydwa przyciski ( I, O ) ręką w

rękawicy roboczej, łokciem albo nawet nogą. Jeśli układ jest połączony prawidłowo (a), to zatrzy-

manie nastąpi, a jeśli nieprawidłowo (b) – to nie nastąpi. Takich podstaw elektrotechniki stosowa-

nej elektrycy uczą się już na ławie szkolnej albo dopiero na ławie oskarżonych.

K48

Rys. 4 . Schematy rozwinięte obwodów sterowania z rys. 3: a) układ poprawny; b) układ błędny

Nie da się przyłączyć cewek ani innych elementów wykonawczych bądź sygnalizacyjnych

bezpośrednio do uziemionego przewodu źródła napięcia sterowniczego, jeżeli uziemionego prze-

wodu nie ma, np. gdyby zasilać obwód sterowania napięciem międzyprzewodowym układu trójfa-

zowego (rys. 5). Jeżeli w miejscu wskazanym na rysunku zdarzy się zwarcie doziemne, kiedy

stycznik by ł w stanie otwartym, to pod działaniem napięcia sterowniczego o wartości najwyżej

⋅ stycznik raczej się nie zamknie, ale elektromagnes będzie warczał, a po

pewnym czasie cewka się przepali. Jeżeli to zwarcie doziemne wystąpi, kiedy stycznik był za-

mknięty, t o do cewki zostanie trwale przyłożone napięcie o wartości co najmniej

≈

⋅

⋅ , przy którym zwora raczej nie odpadnie, a naciskanie przycisku O (ZA-

TRZYMANIE) będzie bezskuteczne. Jeżeli nawet przepali się bezpiecznik od strony przewodu L1,

co powinno nastąpić przy zasilaniu z układu TN, a może nastąpić przy zasilaniu z układu TT, ni-

czego to nie zmieni; sytuacja jest w najwyższym stopniu niebezpieczna.

≈

⋅

Rys. 5. Obwód sterowniczy zasilany napięciem międzyprzewodowym bezpośrednio z obwodu głównego:

a) układ niedopuszczalny (przy zwarciu, jak na rysunku, nie można odwzbudzić załączonego elektromagnesu K);

b) układ dopuszczalny w uzasadnionych przypadkach

Z przedstawionych powodów sposób zasilania przedstawiony na rys. 5a) jest dopuszczalny

tylko w przypadku obwodu sterowniczego zasilanego bezpośrednio z trzyprzewodowej sieci o na-

pięciu znamionowym nie przekraczającym 500 V, obsługującego pojedynczy silnik, kiedy wszyst-

kie elementy układu sterowania (łącznie z przyciskami) znajdują się w jednej obudowie, połączenia

są krótkie i starannie wykonane, co praktycznie eliminuje możliwość rozpatrywanych zwarć do-

ziemnych. Jeżeli te warunki nie są spełnione, to obowiązuje dublowanie wszystkich zestyków wy-

łączających (przekaźników, czujników, przycisków) tak, by znalazły się one od strony obu przewo-

dów zasilających. Na przykład na rys. 5b) przycisk O musiałby mieć dwa mechanicznie sprzężone

zestyki rozwierne o samoczynnym powrocie, które umieszcza się po jednej i po drugiej stronie

cewki stycznika.

2. Obwód sterowniczy a obwód główny − galwaniczne połączenie czy oddzielenie

Z punktu widzenia możliwych zagrożeń istotne jest powiązanie obwodu sterowniczego z

obsługiwanym obwodem głównym, jeśli on występuje. Mianowicie obwody sterownicze mogą być

zasilane:

a) z obwodu głównego bezpośrednio (bez oddzielenia galwanicznego),

b) z obwodu głównego pośrednio, tzn. będąc galwanicznie oddzielone od niego poprzez trans-

formator sterowniczy bądź poprzez zasilacz zawierający taki transformator [8],

c) z innego źródła niż obwód główny, np. z baterii akumulatorów.

Bezpośrednio z obwodu głównego przemiennoprądowego wolno zasilać tylko proste układy

sterowania, np. w maszynach z jednym rozrusznikiem o niedużej mocy (do 3 kW) i nie więcej niż

dwoma zewnętrznymi aparatami sterowniczymi (np. przyciskami). Bardziej złożone układy stero-

wania wieloma silnikami bądź innymi odbiornikami, układy z wieloma elementami wykonawczy-

mi, a także układy elektroniczne, należy zasilać z obwodu głównego poprzez transformatory za-

pewniające oddzielenie galwaniczne, np. transformatory sterownicze [2, 4, 5, 9]. Takie bądź zbliżo-

ne wymagania występują od dziesięcioleci w normach oraz przepisach krajów przodujących w

technice i znalazły się następnie w normach IEC oraz normach EN. Co ciekawe, wspomniane wy-

magania nie zmieniały się, mimo że z upływem lat różną wagę przykładano do poszczególnych

zalet rozwiązania z oddzieleniem galwanicznym obwodu sterowniczego.

Transformator sterowniczy pozwala zastosować w obwodzie wtórnym inne napięcie niż pier-

wotne i zastosować w nim bądź nie uziemienie robocze (funkcjonalne) niezależnie od tego, jak to

rozwiązano w obwodzie pierwotnym.

Impedancja transformatora sterowniczego ogranicza warunki zwarciowe w obwodzie wtór-

nym, co dawniej uważano za korzystne ze względu na małą obciążalność zwarciową zestyków i

innych elementów obwodu. Obecnie uchodzi to raczej za wadę, bo nowe rozwiązania konstrukcyjne

pozwoliły znacznie uodpornić wspomniane elementy na narażenia zwarciowe, natomiast większą

wagę niż dawniej przykłada się do samoczynnego wyłączania w przepisanym czasie zwarć wywo-

łujących zagrożenie porażeniowe. Z tych powodów coraz szerzej stosuje się energooszczędne (ni-

skostratne) transformatory sterownicze o obniżonej impedancji wewnętrznej. Większa sprawność

wynika z obniżenia rezystancji, a sztywniejsze napięcie w obwodzie wtórnym (i większa moc zwar-

ciowa) − z obniżenia zarówno reaktancji, jak i rezystancji.

Użycie transformatora sterowniczego oznacza dodatkowy koszt. Oznacza też pojawienie się

problemu prądu załączeniowego transformatora, o dużej krotności w stosunku do prądu znamiono-

wego, nawet znacznie większej niż 20. Dla przetrzymywania takiego prądu zabezpieczenia zwar-

ciowe muszą mieć tak duże prądy znamionowe (bezpieczniki) bądź prądy nastawcze (wyłączniki

nadprądowe), że dopuszczalna długość obwodu wtórnego, gwarantująca samoczynne wyłączanie

zwarć w przepisanym czasie, maleje poniżej wartości potrzebnej ze względów funkcjonalnych.

3. Obwody sterownicze zasilane bezpośrednio z obwodu głównego

Najprostszy sposób zasilania obwodu sterowniczego polega na odgałęzieniu go − bez gal-

wanicznego oddzielenia − od obwodu głównego o układzie TN, z którym jest on powiązany funk-

cjonalnie (rys. 6). Ze względu na możliwe następstwa zwarć doziemnych obwód sterowniczy zasila

się napięciem fazowym, a w przewodzie N nie należy umieszczać zabezpieczenia nadprądowego.

Z kolei ze względu na możliwe konsekwencje naruszenia ciągłości przewodu N obowiązuje zasila-

nie wszystkich elementów obwodu z tej samej fazy; w przeciwnym wypadku po przerwaniu prze-

wodu N przyłożone do układu napięcie międzyprzewodowe rozkłada się w sposób przypadkowy na

dwie szeregowo połączone grupy elementów połączonych równolegle i przyłączonych do różnych

faz. Takie zdarzenia doprowadziły nawet kiedyś do przejściowego pojawienia się w normach po-

stanowienia, że bezpośrednie wykorzystanie w obwodzie sterowniczym przewodu N instalacji elek-

troenergetycznej, powinno być wyraźnie określone w dokumentacji technicznej i wymaga zgody

użytkownika urządzenia.

Wartość znamionowego napięcia sterowniczego jest narzucona przez obwód główny; moż-

liwości wyboru nie ma.

L1 L2 L3 N

L1 L2 L3

obwód

główny

obwód

sterowniczy

obwód

główny

obwód

sterowniczy

Rys. 6 . Zabezpieczanie obwodu sterowniczego odgałęzionego bezpośrednio od obwodu głównego:

a) rozwiązanie standardowe; b) rozwiązanie dopuszczalne wyjątkowo .

Bezpieczniki F2 są zbędne, jeżeli bezpieczniki F1 spełniają wymagania stawiane bezpiecznikom F2, tzn. przede

wszystkim, że mają nieduży prąd znamionowy ( I nb ≤ 16÷25 A)

Obciążalność zwarciową obwodu sterowniczego [3, 4, 5, 9] na ogół limituje nie obciążal-

ność zwarciowa przewodów, lecz zestyków łączników pomocniczych, zwłaszcza ich prąd znamio-

nowy szczytowy. Jest on określony przez wytwórcę albo bezpośrednio, albo raczej − przez podanie

największego dopuszczalnego prądu znamionowego bezpiecznika, który w obwodzie o spodziewa-

nym prądzie zwarciowym 1000 A ogranicza wartość szczytową prądu i jego skutek cieplny (całkę

Joule’a) poniżej wartości wytrzymywanej przez łącznik. Największy dopuszczalny prąd znamiono-

wy bezpiecznika powinien być co najmniej dwukrotnie większy niż prąd znamionowy ciągły łącz-

nika. Na ogół jest on zawarty w przedziale 16÷25 A. Jeżeli ze względu na całkowity pobór mocy

bądź przetrzymywanie prądów załączeniowych elektromagnesów dużej mocy, taki prąd znamiono-

wy bezpieczników jest za mały, to obwód sterowniczy najlepiej podzielić na gałęzie osobno zabez-

pieczone bezpiecznikami o prądzie nie przekraczającym tego poziomu. Ostrzejsze wymagania od-

nośnie do zabezpieczenia przed skutkami zwarć mogą stawiać obwody sterownicze zawierające

elementy półprzewodnikowe i inne podzespoły elektroniczne.

Obwód sterowniczy odgałęziony bezpośrednio od obwodu głównego nie wymaga osobnego

zabezpieczenia nadprądowego (rys. 6), jeżeli poprzedzający go bezpiecznik w obwodzie głównym

ma prąd znamionowy nie przekraczający dopuszczalnej wartości (16 A, 20 A, a nawet 25 A).

Zabezpieczeniem zwarciowym obwodów sterowniczych, zamiast bezpieczników, mogą być

wyłączniki nadprądowe, odpowiednio dobrane do obciążeń roboczych i zwarciowych. Wyłączniki

mają tę wyższość nad bezpiecznikami, że wyłączają obwód pełnobiegunowo, a po zadziałaniu są

natychmiast gotowe do ponownego załączenia obwodu. Uchodzą za rozwiązanie nowocześniejsze i

elegantsze i w niektórych zastosowaniach są zalecane, a nawet wymagane. Jednakowoż bezpieczni-

ki są bardziej niezawodne i skuteczniej ograniczają cieplne oraz elektrodynamiczne skutki zwarć

niż wyłączniki. Kiedy w Wierzbięcinie koło Słupska oddawano do użytku polską stację końcową

wysokonapięciowego połączenia prądu stałego HVDC Polska-Szwecja dziesiątki wyłączników

nadprądowych na tablicy rozdzielczej w nastawni zabezpieczało obwody sterownicze. Po niedługim

czasie

wymieniono

bezpieczniki

(powody

zobacz:

http://www.bezpieczniki.com/strony/wyklady/3/korzysci.htm ).

4. Transformatory sterownicze

Transformator sterowniczy (rys. 7) jest to transformator oddzielający (transformator izolacyj-

ny, transformator o oddzielnych uzwojeniach), na ogół jednofazowy, konstrukcyjnie przystosowany

do zasilania obwodów sterowniczych.

wszystkie

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: