Termeni asociați:

  • Ingineria energetică
  • Semiconductor
  • Dielectrice
  • Amplificator
  • Impedanță
  • Oscilatoare
  • Tranzistoare
  • Transformatoare
  • Cifră binară

Descărcați în format PDF

Despre această pagină

Întreținerea și modificarea echipamentelor

21.4.3 Izolarea echipamentelor electrice

Izolarea electrică poate fi necesară fie pentru imobilizarea utilajelor, fie pentru protejarea personalului care lucrează la echipamente electrice.

Situațiile care implică izolația electrică includ lucrul la echipamente electrice, inclusiv mașini rotative și mașini cu piese în mișcare și intrarea în vase care conțin agitatori sau agitatoare.

Acolo unde este necesară izolarea fluidelor, izolarea electrică ar trebui să fie o completare a izolației mecanice, dar nu o înlocuiește.

Standardele OSHA 1910.147 și Subpartea S, reglementează lucrările de întreținere a sistemelor electrice. Izolarea echipamentelor electrice este reglementată de Reglementările din Marea Britanie privind electricitatea la locul de muncă din 1989 și recomandările sunt date în Memorandumul de îndrumare asociat (HSE, 1989 HS (R) 25). Izolarea electrică trebuie efectuată numai de o persoană competentă electric.

Două metode de izolare a echipamentelor electrice sunt retragerea siguranțelor și blocarea întrerupătorului. Este evident că există o diferență de vedere asupra meritelor celor două metode. Unele referințe descriu sisteme bazate în principal pe blocarea întrerupătorului. Ghidul de întreținere IChemE descrie retragerea siguranței ca fiind adecvată acolo unde blocarea întrerupătorului nu este disponibilă, la fel ca în cazul instrumentelor, încălzitoarelor, circuitelor de iluminat. (1983 LPB 49, p. 7) susține că o siguranță poate fi întotdeauna înlocuită. Pe de altă parte, Kletz (1982f) afirmă că experiența a arătat că blocarea întrerupătorului nu este întotdeauna eficientă. El recomandă retragerea siguranței în cazul în care lucrul de făcut este la circuitele electrice. Un sistem de izolare electrică bazat pe blocarea întrerupătorului este descris de Anon. (1983 LPB 49, p. 7).

Un dispozitiv de blocare este un mecanism sau un aranjament care permite utilizarea lacătelor acționate cu cheie pentru a ține o manetă de comutare sau un mâner în poziția „oprit”. Procedura de blocare constă în oprirea sau dezactivarea energiei electrice, blocarea, blocarea și confirmarea blocării verificând dacă echipamentul nu va reporni. Blocarea trebuie aplicată întrerupătorului sau comutatorului de deconectare în sine și nu unui buton de oprire/pornire la distanță, selector sau interblocare. Acolo unde există mai multe surse de alimentare, toate trebuie blocate și etichetate.

Sistemul de blocare este după cum urmează. Pentru operațiuni, fiecare lacăt ar trebui să fie emis prin operațiile de maistru și ar trebui să poată fi deschis numai de către o cheie emisă cu acesta. Ar trebui să existe un jurnal de blocare pentru înregistrarea identificării echipamentului blocat, data și ora aplicării lacătului și a operatorului care îl aplică, precum și data și ora scoaterii acestuia și operatorul care îl scoate. Meșterul de întreținere își aplică propriul încuietor la întrerupător înainte de a începe lucrul și îl îndepărtează la terminarea acestora. În cazul în care echipamentul urmează să fie prelucrat de mai multe meșteșuguri, fiecare meșter aplică această procedură. Dacă are loc o schimbare de schimb, meșterul ieșit își scoate încuietoarea, iar cel care îl ușurează își aplică propria încuietoare. Când lucrarea este finalizată, ultima blocare care trebuie eliminată este cea a operatorului.

În ceea ce privește izolarea sistemelor electrice, pentru a proteja personalul care lucrează la sau în apropierea acestora, se oferă îndrumări în standardele relevante OSHA, practicile recomandate API și Standardele britanice.

Toate echipamentele electrice ar trebui să aibă etichete permanente, iar părțile lor separate trebuie să fie identificabile. Pentru un prim motor, Ghidul IChemE le oferă ca unitate de acționare, întrerupător/deconectare și buton de oprire/pornire. De asemenea, ar trebui utilizat un sistem de etichete de avertizare.

Aplicarea protecției catodice

2.10.4.3 Izolarea electrică a solului

Pentru o izolare electrică eficientă maximă, kiturile de flanșă izolatoare, bobinele sau îmbinările ar trebui să fie amplasate pe partea conductei supapelor acționate de motor, a instrumentelor (electrice sau pneumatice) și a dispozitivelor de monitorizare a coroziunii. Cablurile de împământare, neutrele electrice, liniile de alimentare, etc. acționează ca trasee de șunt cu rezistență redusă și, prin urmare, „scurtează” kiturile și îmbinările de flanșă izolatoare. În cazul în care izolarea nu este practicabilă, echipamentul trebuie izolat electric de conductă sau alternativ împământarea separată a echipamentului trebuie instalată și izolată de sistemul general de împământare pentru alimentarea cu energie electrică. Celulele de polarizare pot fi folosite și pentru izolarea conductelor de sistemele de împământare. Casetele de joncțiune de protecție catodică și canalele de conducte ar trebui să aibă o tijă de împământare separată și să nu fie legate în sistemul general de împământare a unei plante.

Circuite de acționare a porții pentru convertoare de putere

20.4.1 Drivere de poartă izolate

Circuitele driverului de poartă care încorporează izolație electrică oferă avantajul unei imunități bune la interferențele de zgomot între circuitele de alimentare și de control. Acest lucru se datorează căilor separate de întoarcere la sol. Există mai multe tipuri de circuite de driver izolate și anume:

Alimentare izolată cu intrări de semnal de control opto-cuplate

electrică

FIGURI 20.12. Transformator de frecvență de rețea utilizat pentru a genera o sursă de plutire. Simplu și fiabil, dar mai mare decât alte soluții datorită transformatorului său de frecvență de rețea. Funcționează bine pentru o jumătate de pod, dar ar necesita mai multe surse de alimentare izolate dacă s-ar folosi o topologie cu punte completă. Un invertor trifazat ar necesita fie șase surse plutitoare separate, fie trei surse separate și o sursă partajată pentru dispozitivele laterale joase.

Schimbarea nivelului semnalului de comandă de comutare se realizează prin izolarea optică (U3 și U4) cu diodele de intrare (partea primară a opto-cuplajului) referite la masa logică a circuitelor de procesare a semnalului. Ieșirea driverului de poartă cu impedanță scăzută este realizată prin utilizarea unui circuit integrat de memorie tampon de mare viteză, curent ridicat sau a unei etape bipolare discrete sau a unui totem complementar MOS. Puterea pentru opto-cuplaj și tampon U5 și U6 este derivată din sursa de alimentare plutitoare respectivă. Circuitul de mai sus nu are limitări ale ciclului de funcționare din cauza sursei de alimentare plutitoare.

Rețeaua pasivă cuprinzând D1, R5 și R6 controlează viteza de comutare IGBT și afectează performanța și eficiența convertorului de putere. R6 controlează viteza de pornire a IGBT1. Aceasta controlează pierderea de comutare a dispozitivului, precum și caracteristicile de oprire dv/dt ale diodei cu roți libere a dispozitivelor inferioare (IGBT2) pentru sarcini inductive. Dioda D1 deconectează R5 de la circuit în timpul pornirii IGBT. Viteza de oprire a IGBT1 este controlată de R5, cu condiția ca R5 să fie mult mai mic decât R6. Aceasta este o caracteristică de dorit în invertoarele alimentate cu tensiune, deoarece asigură un timp mort minim între tranzițiile dispozitivului, așa cum se arată în Fig. 20.13 .

FIGURI 20.13. Comutarea formelor de undă pentru circuitul din Fig. 20.12 .

U5out și U6out din Fig. 20.13 reprezintă semnalul de ieșire al driverului la un ciclu de funcționare exact de 50%. Rețeaua de poartă pasivă de pe fiecare IGBT modifică semnalele de acționare datorită constantei de timp RC formată între rezistențele de acționare a porții și capacitatea de poartă IGBT. Aceasta este afișată ca VgIGBT care este măsurată direct pe terminalul de poartă IGBT. Această acțiune de rotire asupra porții IGBT are ca rezultat ca IGBT să aibă o pornire întârziată. Pornirea are loc atunci când tensiunea de poartă IGBT atinge nivelul de prag (Vgth) și curentul colectorului începe să curgă. Rezultatul este un timp mort creat între tranziția de comutare. Acest lucru este necesar în orice circuit de punte pentru a evita fotografierea sau conducerea încrucișată a comutatoarelor superioare și inferioare. Aceasta este descrisă de urma curentului de colector (IC) pentru o sarcină pur rezistivă în Fig. 20.13 .

Driver cuplat transformator care furnizează atât semnalele de putere, cât și semnalele de control

FIGURI 20.14. Driverul de poartă cuplat cu transformatorul folosit pentru a furniza dispozitivului atât semnalul de control, cât și puterea de acționare a porții.

Driver de poartă cuplat cu transformator cu capacitate de ciclu de funcționare mare

Transformatoarele oferă o imunitate excelentă la zgomot și oferă soluții simple și rentabile de acționare a porții, menținând în același timp izolația electrică între elementele electronice de comandă și acționarea porții. Un dezavantaj este totuși limitarea locurilor transformatorului pe ciclul maxim de funcționare. Figura 20.15 oferă o soluție simplă, dar eficientă la limitările convenționale prin introducerea unui circuit de restaurare DC care este format din C2, Dz1 și Dz2. Acest sistem permite eliminarea oricărei informații DC prin intermediul C1 și restabilește forma de undă de intrare aplicată cu adăugarea unei polarizări de tensiune negativă necesare pentru unitatea de poartă IGBT. Un mic miez de transformator de ferită poate fi utilizat pentru un driver de poartă MOSFET funcțional la câteva sute de kiloherci. Acest circuit poate fi reproiectat pentru topologii de punte, dar este, de asemenea, potrivit pentru convertoarele de înaltă tensiune DC - DC care necesită un comutator lateral. Gama efectivă a ciclului de funcționare al acestui șofer este de la 5 la 95%. Formele de undă de operare sunt prezentate în Fig. 20.16 .

FIGURI 20.15. Driver de poartă cuplat cu transformator cu o gamă largă de funcționare a ciclului de lucru.

FIGURI 20.16. Formele de undă de operare ale driverului de poartă cuplat cu transformatorul din Fig. 20.15 .

Trebuie remarcat faptul că tensiunea de acționare a porții este fixată la niveluri fixe, indiferent de ciclul de funcționare utilizat, spre deosebire de cazul din Fig. 20.9. Această tehnică furnizează, de asemenea, atât semnalul deplasat la nivel, cât și puterea de acționare a porții, eliminând necesitatea unei surse de plutire suplimentare. Raportul transformărilor de transformare (T1) poate fi, de asemenea, ajustat pentru a permite circuitul din Fig. 20.15 să funcționeze de la o sursă de 5V, în timp ce generează o oscilare a tensiunii de ieșire de la + 15 la –5V la poarta IGBT.

Driver de poartă modulată cu semnal cuplat transformator

Circuitul din Fig. 20.17 utilizează un semnal purtător de înaltă frecvență care este modulat de un semnal de control al frecvenței mai mici (PWM). Acesta este folosit pentru a genera instantanee de pornire/oprire a puterii IGBT1. Prin utilizarea unui purtător de înaltă frecvență, dimensiunea transformatorului este redusă și, prin modularea timpului în care operează purtătorul, controlează energia livrată la poarta IGBT. O frecvență purtătoare pentru VSQ1 trebuie aleasă pentru a fi mult mai mare decât frecvența semnalului de control PWM. Când semnalul de control PWM este activat, semnalul purtător este transformat în secundarul transformatorului T1, care este rectificat și filtrat pentru a produce un semnal DC Vout.

FIGURI 20.17. Purtător modulat de semnal utilizat pentru schimbarea nivelului și generarea unei surse plutitoare.

Când semnalul de control PWM trece de la starea pornită la stinsă, încărcarea stocată în condensatorul filtrului C1 se descarcă cu o constantă de timp determinată de R1. Acest lucru este uneori problematic atunci când sunt necesari timpi de comutare rapidă, în special în configurațiile podului invertor. O soluție la această problemă este utilizarea unui driver activ (U1) pe partea secundară a transformatorului. Aceasta va detecta operatorul și va comuta poarta IGBT în consecință. Formele de undă de funcționare pentru acest circuit sunt prezentate în Fig. 20.18 [1].

FIGURI 20.18. Purtător modulat de semnal utilizat pentru schimbarea nivelului și generarea unei surse plutitoare.

Sursa de alimentare plutitoare de înaltă frecvență

Adesea, sistemele de driver de poartă necesită elemente electronice suplimentare, care trebuie referite la comutatorul plutitor care este acționat. Electronica suplimentară funcțională duce adesea la un consum mai mare de energie, ceea ce duce la necesitatea unei surse de alimentare plutitoare cu costuri reduse, așa cum se arată în Fig. 20.19. Secțiunea de intrare formată din U1B, formează un oscilator utilizat pentru a conduce un MOSFET la frecvență înaltă. Acest MOSFET acționează un transformator de înaltă frecvență, care formează mediul de izolare între sursa de alimentare auxiliară comună și circuitul secundar plutitor. Transformatorul T1 produce o tensiune de ieșire secundară care este rectificată pentru a forma o sursă de curent continuu plutitoare pentru circuitele de acționare a porții asociate. Aceste surse de alimentare plutitoare sunt, de asemenea, disponibile ca circuite integrate monolitice de convertor DC - DC cu ieșiri izolate.

FIGURI 20.19. Alimentare plutitoare cu comutare de frecvență înaltă cu cost redus.