В этой статье Колина Харгиса, главного инженера Control Techniques, мы рассмотрим утечку на землю в приводах с регулируемой скоростью.
Приводы с переменной скоростью переменного тока (VSD) генерируют токи утечки на землю, которые в основном безвредны, но иногда могут быть достаточно высокими, чтобы вызвать аварийное отключение УЗО (устройств остаточного тока, выключателей утечки на землю и т.д.). Здесь мы рассмотрим причины тока утечки на землю и возможные меры по устранению.
Простые электрические устройства, такие как двигатели и нагреватели, не имеют соединения между цепью питания переменного тока и заземлением (PE). Заземление предназначено для обеспечения безопасности устройства в случае короткого замыкания от силовой цепи к проводящей конструкции. При нормальном использовании на землю поступает очень небольшой ток утечки, вызванный малой паразитной емкостью и резистивной утечкой силовой цепи на заземленную конструкцию. Этот ток находится в районе нескольких микроампер и не оказывает заметного эффекта.
Большинство электронных устройств имеет некоторые фильтрация радиопомех, для чего обычно требуются конденсаторы между линиями электропередачи и землей. Затем это приводит к току утечки через конденсаторы на землю. Для однофазного источника питания ток утечки можно легко рассчитать по закону Ома и реактивному сопротивлению конденсатора на частоте питания.
Для электрооборудования, снабженного заземлением, именуемого “оборудованием класса 1” и предназначенного для подключения к сетевой розетке, конструкция должна быть такой, чтобы предотвращать утечку ток ниже 3,5 мА как это предусмотрено стандартами безопасности. Идея заключается в том, что даже если провод заземления оборвется и человек прикоснется к незаземленному оборудованию, ток 3,5 мА не причинит ему вреда (хотя он, вероятно, почувствует это и сочтет неприятным). В тестах безопасности на самом деле измеряется “ток прикосновения”, который измеряется с помощью схемы, моделирующей импеданс и частотную характеристику человеческого тела. На практике ток утечки и ток касания обычно довольно схожи.
Если оборудование установлено стационарно с фиксированным заземлением, которое достаточно прочно, чтобы избежать случайного отключения или поломки, то это ограничение не применяется. Вот почему приводы Control Techniques поставляются либо с клеммой PE с возможностью подключения провода заземления 10 мм2, либо с двумя клеммами для двух проводов заземления меньшего размера.
Один УЗО это защитное устройство, которое может быть подключено к электрической цепи здания и которое отключается для отключения питания, если оно обнаруживает чрезмерный ток утечки. Он делает это путем измерения общего тока во всех фазах питания (L + N для одной фазы, L1 + L2 + L3 + N для трех фаз), который в идеале должен быть равен нулю, т.е. весь ток должен циркулировать по силовым проводам, а не поступать на землю.
Рисунок 1, приведенный ниже, иллюстрирует устройство для однофазного устройства. Наиболее распространенная настройка отключения составляет 30 мА, что является достаточно низким уровнем, чтобы предотвратить причинение вреда человеку, но достаточно высоким, чтобы избежать частых неприятных отключений. Существует много причин для установки УЗО, наиболее распространенной является ситуация, когда портативное оборудование используется в местах, где существует повышенный риск поражения электрическим током – например, острый электроинструмент, который может повредить собственный кабель, или влажное место.
То ВСД содержит инвертор, который использует очень быстрое переключение выходного напряжения и ШИМ для синтеза требуемой формы сигнала тока для двигателя. Большинство современного силового электронного оборудования использует аналогичные устройства питания с быстрой коммутацией, и чтобы избежать излучения радиочастотных помех (электрического “шума”), оно должно быть снабжено фильтром радиопомех.
VSD необычен тем, что коммутационный выход не содержится внутри устройства, а проходит через кабель двигателя, длина которого может составлять много метров, к двигателю. Это означает, что существует высокая паразитная емкость на земле, которая приводит к высокочастотному току и требует особенно сильного фильтра для предотвращения вредных выбросов в сеть. Фильтр должен иметь необычно высокие значения емкости на землю, чтобы быть эффективным, особенно при длинном кабеле двигателя. Большинство фильтров, предлагаемых для Методы управления приводами предназначены для использования с кабелем двигателя длиной до 100 м.
Рисунок 2 иллюстрирует пути тока утечки для VSD с входным фильтром. Сами конденсаторы вызывают определенный ток утечки при частоте питания 50/60 Гц. Кроме того, в паразитную емкость двигателя и кабеля поступает высокочастотный ток. Конденсаторы имеют низкое сопротивление для высоких частот, и они отводят высокочастотный ток так, что очень небольшая его часть поступает в источник питания. В этом заключается их функция как компонентов интерференционного фильтра. В обмен на этот полезный эффект они генерируют некоторую утечку частотой 50/60 Гц, но из-за более низкой частоты она намного меньше, чем отклоняемый высокочастотный ток.
Наиболее распространенный тип приводной системы использует несколько приводов и другого электрического оборудования, установленных в шкафу и постоянно подключенных к электросети без вилки и розетки, с постоянным фиксированным заземлением. В этом случае типичный ток утечки в диапазоне от нескольких до десятков миллиампер не имеет значения.
Эффект более высоких частот может быть трудно предсказать. Они могут создавать помехи для другого оборудования, если они слишком высоки, что является причиной установки фильтрующих конденсаторов. Они также могут привести к срабатыванию УЗО. Простые УЗО не обладают четко определенной чувствительностью к частотам, отличным от частоты сети. В идеале они должны иметь частотную характеристику, довольно схожую с частотной характеристикой человеческого тела, поскольку они предназначены для защиты людей от поражения электрическим током. Бывает, что частоты около 50/60 Гц являются наиболее опасными из возможных для человека.
Более высокие частоты, как правило, протекают по поверхности тела и не так сильно влияют на нервную систему. В крайних случаях они могут вызвать ожоги кожи, но гораздо реже приводят к фатальной фибрилляции желудочков. Есть несколько превосходных УЗО, которые иногда называют “супериммунными”, которые действительно имеют тщательно подобранную частотную характеристику. У них гораздо меньше шансов вызвать неприятные поездки с системами VSD.
Вы не должны недооценивать эффект этих более высоких частот. Мы сталкивались с установками, где происходило аварийное отключение УЗО, где не было фильтра. Добавление фильтров устранило проблему. Нелогично думать, что подключение конденсаторов между источником питания и землей на самом деле может уменьшить ток утечки на землю, но это может произойти. Выгода от переадресации более высоких частот намного превысила затраты с точки зрения дополнительной утечки сетевой частоты на землю.
Наиболее распространенной проблемой с током утечки является нежелательное срабатывание УЗО.
В таком случае первый вопрос заключается в том, действительно ли необходимо УЗО? Иногда УЗО устанавливаются из-за их предполагаемой дополнительной безопасности и не оправдываются реальной ситуацией. Постоянно подключенная приводная система в сухой среде безопасна при всех разумно предсказуемых условиях неисправности и не нуждается в УЗО.
Если УЗО установлено из-за того, что сопротивление контура заземления слишком велико, чтобы гарантировать работу первичной защиты (например, с системой заземления TT), то обычно нет необходимости использовать УЗО 30 мА. Очень часто УЗО 1А обеспечивает достаточную защиту от замыканий на землю и, скорее всего, не пострадает от паразитной работы приводной системы.
Для небольшой простой машины, которая, скорее всего, будет использоваться с подключаемым источником питания, обычно двигатель находится близко к приводу. Из предыдущего объяснения вы можете видеть, что тогда емкость фильтра может быть уменьшена, что обеспечивает достаточный фильтрующий эффект при меньшей утечке на землю. Методы управления приводы имеют возможность отключения внутреннего фильтрующего конденсатора, чтобы учесть эту ситуацию.
Если излучение радиошума также должно быть сведено к минимуму, то для небольших накопителей доступен специальный вариант внешнего фильтра с низким уровнем утечки. Теперь вы поймете, что этот специальный фильтр имеет ограничения на допустимую длину кабеля двигателя, что для небольших простых машин не будет ограничивающим фактором.