Вирішення проблем із заземленням за допомогою джерел живлення, що перемикаються

Сьогодні 80% усіх пристроїв введення/виводу (вводу/виводу) в програмах автоматизації забезпечуються потужністю 24 В постійного струму. Друга за популярністю напруга - 120 В змінного струму, яка використовується на 15% усіх входів/виходів. Протягом останнього десятиліття в галузі спостерігається перехід розвитку енергопостачання від лінійних регульованих конструкцій до первинних комутаційних (нелінійних) конструкцій та відповідних вимог щодо встановлення та заземлення

Сьогодні 80% усіх пристроїв введення/виводу (вводу/виводу) в програмах автоматизації забезпечуються потужністю 24 В постійного струму. Друга за популярністю напруга - 120 В змінного струму, яка використовується на 15% усіх входів/виходів. За останнє десятиліття в галузі спостерігається перехід розвитку енергопостачання від лінійних регульованих конструкцій до первинних комутаційних (нелінійних) конструкцій, і відповідні вимоги щодо встановлення та заземлення для імпульсного джерела живлення заслуговують на огляд.

Сьогодні потужні приводи та інвертори тепер діляться своїми 3-фазними джерелами живлення з новим типом імпульсного джерела живлення - 3-фазним джерелом живлення ("Основи трифазного живлення", нижче). Розроблений для прийому 3-фазної потужності 480 В змінного струму, цей пристрій ізолює та знижує напругу до 24 В постійного струму для використання з більшістю датчиків, приводів та контролерів на поверсі заводу.

Тож давайте обговоримо вимоги до заземлення для джерел живлення в імпульсному режимі та запропонуємо рекомендації щодо проводки, які покращують доступність та зменшують проблеми, пов’язані з несправностями заземлення, гармонічними спотвореннями та іншими електричними перешкодами.

Заземлення. У 3-фазних додатках 480 В, великих інверторах, приводах та двигунах можуть виникати значні спотворення та перешкоди на лініях електропередач. Використання єдиної системи заземлення може і буде створювати небажані проблеми. Залежно від програми, ви можете вибрати між єдиною точкою заземлення, яка зв’язує всі напруги змінного та постійного струму, або окремими підставами для змінної та постійної напруги. Створюючи спільну землю, ви, як правило, підключаєте землю вхідної напруги змінного струму до від'ємного катета постійної напруги.

Звичайно, ця загальна основа компрометує ізоляцію між змінним та регульованим постійним струмом і, зрештою, заперечує вимогу до ізолюючого трансформатора. Оскільки джерело живлення, яке використовує ізоляцію від трансформатора, досягає одноразової, а іноді навіть подвійної ізоляції, загальноприйнятий підхід ставить під питання.

Використовуючи правильну схему схеми та компоненти, що мають захисні від дотику з'єднання, ви можете створити ізоляційні межі між різними напругами. Ці межі підтримують цілісність джерела живлення та всіх пристроїв, підключених до вихідної напруги постійного струму. Коротше кажучи, можна розробити безпечну систему із справжньою ізоляцією між змінним та постійним струмом та двома окремими системами заземлення.

Усі джерела живлення постійного струму пропонують вихідні з'єднання плюс (+) і мінус (-), які ізольовані від входу змінного струму. З ланцюгом постійного струму можливе загальне підключення плюс-мінус за допомогою клемних блоків DIN-рейки, що забезпечують дотик, які дозволяють ізолювати напругу від самої DIN-рейки. Утримуючи різні напруги фізично та візуально, необхідність дотримуватися спільної точки зору вже не важлива. Фізична відстань між різними напругами заперечує можливість створення небезпечної ситуації, якщо це не навмисно.

Оскільки 24 В постійного струму, як правило, живлять 24 В постійного струму реле, контактори та датчики відстані або аналогові петлі від 4 мА до 20 мА, ви повинні переконатися, що всі металеві кожухи та екрани прив’язані до землі, якщо не вказано інше. Однак жодним чином не слід підключати землю змінного струму ні до позитивного, ні до негативного підключення джерела живлення 24 В постійного струму.

Гармоніка. На жаль, частоти високої комутації, пов'язані з джерелами живлення в режимі перемикання, вносять гармоніку на вхідні лінії змінного струму. Ці гармоніки, які зазвичай кратні частотам комутації, створюють безліч проблем у мережах змінного струму. (“Буквар про нелінійні навантаження та гармоніки”, нижче).

Розглянемо наслідки наявності гармонік на загальній ніжці постійного струму джерела живлення. Найбільш серйозною проблемою є перевантаження нейтрального та заземлюючого проводів. У 3-фазному, 4-х дротовому компонуванні сумарна сума струму (включаючи всі гармоніки) протікає через нульовий провід - а іноді і землю. У 310.15 (B) (4) (c) NEC зазначає, що «на 4-х дротовому, 3-фазному контурі, де основна частина навантаження складається з нелінійних навантажень, в нульовому провіднику присутні гармонічні струми; отже, нульовий провідник слід вважати струмопровідним провідником ". Розмір датчика нейтралі повинен бути вдвічі більшим за показник струмопровідних струмопровідних проводів, щоб нести максимально можливу кількість потрійних гармонічних струмів, який може бути в 1,73 рази більше струму окремої фази. Гармонічний потік струму в заземлювальному проводі - ще одна причина утримувати вхід змінного струму окремо і ізольовано від виходу постійного струму.

Блоки живлення в режимі перемикання зазвичай мають корекцію коефіцієнта потужності, щоб відфільтрувати гармоніки вищого порядку та відповідати міжнародним стандартам, таким як ті, що вимагаються в IEC 61000-3-2.

Вищі струми спільного заземлення. Системи змінного струму з вищою напругою викликають ще більше занепокоєння. Коефіцієнт зниження від 480 до 24 В постійного струму становить 20: 1. На відміну від 120 В змінного струму, де загальний струм становить від 15 А до 20 А, можливий максимальний струм може бути значно вищим через інші більші навантаження, підключені до мережі живлення 480 В змінного струму. Ці більші навантаження можуть включати трифазні двигуни з відповідними механізмами управління, приводами та інверторами, а також інші пристрої, що живляться від 480 В змінного струму.

Уявіть, як це впливає, коли аналогові та цифрові сигнали керування 24 В постійного струму посилаються на важкі навантаження 480 В змінного струму. Знову ж таки, найкраща установка для 3-фазних джерел живлення 480 В вимагає окремих підстав - одного для змінного та іншого для постійного струму.

У міру того, як все більше і більше завдань автоматизуються, використання та важливість 3-фазних джерел живлення 480 В змінного струму буде постійно зростати. Оскільки технологія набуває більш широкого визнання протягом наступного десятиліття, системні інтегратори обговорюватимуть плюси і мінуси та хеші щодо правил заземлення, правильних компонувань та відповідних ізоляцій для різних рівнів напруги.

Примітка редактора: Текст цієї статті є адаптацією статті, яка вперше з’явилася у номері журналу Power Quality у червні 2002 року. Включена тут версія включає розширену інформацію про гармоніки, лінійно-нейтральні джерела живлення в режимі перемикання, стандарти IEEE та найновіші технології, доступні сьогодні в галузі.

Оффнер - менеджер галузевих стандартів компанії Phoenix Contact у місті Гаррісбург, Пенсильванія.

Бічна панель: Основи трифазного живлення

Як зазначено у цій схемі типового джерела живлення, заземлення змінного та постійного струму ізольовані одне від одного.

Більшість джерел живлення постачаються з підключенням змінного струму, що включає лінійні (L), нейтральні (N) та заземлювальні (E) з'єднання. З'єднання E, яке також називають заземленням (GND) або захисним заземленням, зазвичай закріплюється на рамі (у конструкції з відкритою рамою) або корпусі (якщо вкладено). Перетворення напруги в блоці живлення відбувається через понижуючий ізоляційний трансформатор із співвідношенням 5: 1, зокрема 120: 24. Висновки постійного струму стають ізольованими від входу через ізоляцію трансформатора.

Основна внутрішня схема блоку живлення показана в Малюнок вище. Зверніть увагу, що заземлення трансформатора із залізним сердечником зазвичай подається на вхідну напругу змінного струму. Відповідна понижуюча напруга, яка є постійним струмом після повноволнового випрямлення, ізольована від вхідних закінчень.

Бічна панель: Посібник з нелінійних навантажень та гармонік

Відповідно до IEEE 1100-1992, “Рекомендована практика IEEE щодо живлення та заземлення чутливого електронного обладнання”, навантаження, миттєвий струм якої переривається або не пропорційна миттєвій напрузі змінного струму, називається “нелінійним навантаженням”. Результатом є наявність гармонійних компонентів струмів більш високої частоти, накладених на номінальний (60 Гц) синусоїдальний струм. Усі компоненти, алгебраїчно складені разом, дорівнюють фактичній виміряній формі сигналу.

Ці компоненти струму не відповідають фазі сигналу напруги розподілу на кожній гармонійній частоті. Ці гармонійні струми також взаємодіють з імпедансом джерела живлення і, як правило, створюють спотворення напруги, збуджують резонанси енергосистеми та компоненти системи напруги на системі розподілу змінного струму.

IEEE 519-1992, “Рекомендовані практики та вимоги IEEE для гармонійного управління в електроенергетичних системах”, включає детальну дискусію щодо результуючих порушень та запропонованих меж гармонічних струмів.

У 3-фазних ланцюгах потрійні гармонічні нейтральні струми (3-й, 9-й, 15-й тощо) додають замість відміни, оскільки вони кратні втричі більшій за основну частоту потужності і віддалені на 120 електричних градусів. Виходячи з основної частоти, потрійні гармонічні струми кожної фази знаходяться у фазі між собою, і тому додаються в нейтральну схему. У гірших випадках нейтральний струм може перевищувати фазовий струм в 1,73 рази.