Astăzi, 80% din toate dispozitivele de intrare/ieșire (I/O) din aplicațiile de automatizare sunt alimentate cu 24VDC. Cea de-a doua tensiune cea mai populară este 120VAC, care este utilizată la 15% din toate E/S. În ultimul deceniu, industria a cunoscut o tranziție a dezvoltării alimentării cu energie electrică de la proiecte cu reglare liniară la proiecte cu mod de comutare primar (neliniar) și cerințele corespunzătoare de instalare și împământare

sursele

Astăzi, 80% din toate dispozitivele de intrare/ieșire (I/O) din aplicațiile de automatizare sunt alimentate cu 24VDC. Cea de-a doua tensiune cea mai populară este 120VAC, care este utilizată la 15% din toate E/S. În ultimul deceniu, industria a cunoscut o tranziție a dezvoltării sursei de alimentare de la proiectarea liniară reglementată la proiectarea primară în mod comutator (neliniar), iar cerințele corespunzătoare de instalare și împământare pentru sursa de alimentare în modul comutator sunt demne de revizuit.

Unitățile și invertoarele de mare putere de astăzi își împart acum sursele de alimentare trifazate cu un nou tip de sursă de alimentare cu comutare - sursa de alimentare trifazată („Bazele unei surse de alimentare trifazate” de mai jos). Conceput pentru a accepta alimentare trifazată, 480VAC, acest dispozitiv izolează și reduce tensiunea la 24VDC pentru a fi utilizat cu majoritatea senzorilor, actuatorilor și controlerelor de pe podeaua plantei.

Deci, să discutăm cerințele de împământare pentru sursele de alimentare cu comutare și să oferim recomandări de cablare care îmbunătățesc disponibilitatea și reduc problemele asociate cu defectele de împământare, distorsiunea armonică și alte perturbații electrice.

Împământare. În aplicațiile trifazate, 480V, invertoarele mari, acționările și motoarele pot introduce distorsiuni și interferențe semnificative pe liniile de alimentare. Utilizarea unui singur sistem de împământare poate și va introduce probleme nedorite. În funcție de aplicație, puteți alege între un singur punct de împământare care leagă toate tensiunile de curent alternativ și curent continuu sau terenuri separate pentru tensiunile de curent alternativ și curent continuu. La crearea unei pământuri comune, de obicei, veți conecta pământul de tensiune alternativă de intrare cu piciorul negativ al tensiunii continue.

Desigur, acest teren comun compromite izolarea dintre curent alternativ și DC reglementat și, în cele din urmă, neagă cerința unui transformator de izolare. Deoarece o sursă de alimentare care utilizează izolarea transformatorului realizează o izolare unică - și uneori chiar dublă -, abordarea de la sol comun intră în discuție.

Utilizând aspectul corect al circuitului și componentele care prezintă conexiuni rezistente la atingere, puteți crea limite izolatoare între diferite tensiuni. Aceste limite mențin integritatea sursei de alimentare și a tuturor dispozitivelor conectate la ieșirea sa de tensiune continuă. Pe scurt, este posibil să proiectăm un sistem sigur, cu izolație reală între AC și DC și două sisteme separate de împământare.

Toate sursele de curent continuu oferă conexiuni de ieșire plus (+) și minus (-) izolate de intrarea de curent alternativ. Cu circuitul de curent continuu, este posibilă o conexiune comună plus sau minus utilizând blocuri de borne DIN-șină rezistente la atingere care permit izolarea tensiunii de șina DIN în sine. Prin menținerea diferitelor tensiuni separate fizic și vizual, nu mai este importantă menținerea unui teren comun. Distanța fizică dintre diferitele tensiuni neagă posibilitatea de a crea o situație periculoasă, cu excepția cazului în care este intenționată.

Deoarece 24VDC ar alimenta în mod normal relee, contactoare și senzori de proximitate de 24VDC sau bucle analogice de 4mA până la 20mA, trebuie să vă asigurați că toate carcasele și ecranele metalice sunt legate de sol, dacă nu se specifică altfel. Cu toate acestea, în niciun caz nu trebuie să conectați pământul de curent alternativ la conexiunea pozitivă sau negativă a sursei de alimentare de 24VDC.

Armonice. Din păcate, frecvențele de comutare ridicate asociate cu sursele de alimentare cu comutare introduc armonici pe liniile de curent alternativ. Aceste armonici, care sunt în mod normal multiple ale frecvențelor de comutare, creează o serie de probleme în rețelele de alimentare de curent alternativ. („Un manual pentru încărcări neliniare și armonici” de mai jos).

Luați în considerare implicația prezenței armonicelor pe piciorul comun DC al unei surse de alimentare. Cea mai gravă problemă este supraîncărcarea experimentată pe firele neutre și la sol. Într-un aspect trifazat, cu 4 fire, suma curentului total (inclusiv toate armonicele) curge prin firul neutru - și uneori la sol. În 310.15 (B) (4) (c), NEC afirmă „pe un circuit cu 4 fire, trifazat, în care partea principală a sarcinii constă din sarcini neliniare, curenții armonici sunt prezenți în conductorul neutru; prin urmare, conductorul neutru va fi considerat un conductor care transportă curent. ” Dimensiunea gabaritului neutrului ar trebui să fie de două ori gabaritul firelor sub tensiune care transportă curent pentru a transporta cantitatea maximă posibilă de curenți armonici triplen, care poate fi de 1,73 ori curentul de fază individual. Fluxul de curent armonic în firul de masă este un alt motiv pentru a menține intrarea AC separată și izolată de ieșirea DC.

Sursele de alimentare cu comutare au în mod normal o corecție a factorului de putere pentru a filtra armoniile de ordin superior și pentru a îndeplini standardele internaționale precum cele cerute în IEC 61000-3-2.

Curenți de pământ comun mai mari. Sistemele de curent alternativ de înaltă tensiune reprezintă o preocupare și mai mare. Raportul de reducere de la 480VDC la 24VDC este de 20: 1. Spre deosebire de 120VAC, unde poate apărea un curent total combinat de 15A la 20A, curentul maxim posibil poate fi considerabil mai mare din cauza altor sarcini mai mari conectate la rețeaua de alimentare de 480VAC. Aceste sarcini mai mari ar putea include motoare trifazate cu unelte de control aferente, acționări și invertoare, plus alte dispozitive alimentate cu 480VAC.

Imaginați-vă implicațiile atunci când semnalele de control analogice și digitale de 24VDC sunt menționate cu sarcini grele de 480VAC. Din nou, cea mai bună instalare pentru surse de alimentare trifazate, 480V necesită terenuri separate - unul pentru curent alternativ și unul pentru curent continuu.

Pe măsură ce automatizează din ce în ce mai multe sarcini, utilizarea și importanța surselor de alimentare trifazate, 480VAC vor crește constant. Pe măsură ce tehnologia câștigă o acceptare mai largă în următorul deceniu, integratorii de sistem vor dezbate avantajele și dezavantajele și hash-ul cu privire la regulile de împământare, aspectele corecte și izolațiile adecvate pentru diferite niveluri de tensiune.

Nota editorului: Textul acestui articol este o adaptare a unui articol care a apărut pentru prima dată în numărul din iunie 2002 al revistei Power Quality. Versiunea inclusă aici include informații extinse despre armonici, surse de alimentare de la linie la neutru, standarde IEEE și cea mai recentă tehnologie disponibilă în industrie astăzi.

Offner este managerul de standarde industriale pentru Phoenix Contact din Harrisburg, Pa.


Bara laterală: Bazele unei surse de alimentare trifazate

După cum sa menționat în această schemă a unei surse de alimentare tipice, conexiunile de masă AC și DC sunt izolate una de alta.

Majoritatea surselor de alimentare sunt prevăzute cu o conexiune de intrare de curent alternativ care încorporează conexiuni de linie (L), neutru (N) și împământare (E). Conexiunea E, denumită și conexiune la pământ (GND) sau la pământ de protecție, se leagă în mod normal de cadru (într-un design cu cadru deschis) sau de carcasă (dacă este închisă). Conversia tensiunii în sursa de alimentare are loc printr-un transformator de izolare cu un raport de 5: 1, în special 120: 24. Terminațiile de ieșire DC sunt izolate de intrare din cauza izolării transformatorului.

Structura internă de bază a unei surse de alimentare este prezentată în Figura de mai sus. Rețineți că împământarea transformatorului cu miez de fier se alimentează în mod normal în tensiunea de curent alternativ. Tensiunea de coborâre corespunzătoare, care este de curent continuu după rectificarea undelor complete, este izolată de terminările de intrare.


Bara laterală: un manual pentru încărcări neliniare și armonici

Conform IEEE 1100-1992, „Practica recomandată IEEE pentru alimentarea și împământarea echipamentelor electronice sensibile”, o sarcină al cărei curent instantaneu este discontinuu sau nu este proporțional cu tensiunea instantanee de curent alternativ se numește „sarcină neliniară”. Rezultatul este prezența componentelor armonice ale curenților cu frecvență mai mare suprapuse curentului sinusoidal nominal (60 Hz). Toate componentele sunt adunate algebric, egale cu forma de undă măsurată.

Aceste componente ale curentului nu sunt în fază cu distribuția formei de undă a tensiunii la fiecare frecvență armonică. Acești curenți armonici interacționează, de asemenea, cu impedanța sursei de alimentare și creează de obicei distorsiunea tensiunii, excită rezonanțele sistemului de alimentare și componentele sistemului de alimentare cu tensiune pe sistemul de distribuție AC.

IEEE 519-1992, „Practici și cerințe recomandate de IEEE pentru controlul armonic în sistemele de energie electrică”, include discuții detaliate cu privire la perturbările rezultate și limitele propuse pentru curenții armonici.

În circuitele trifazate, curenții neutri armonici triplen (3, 9, 15 etc.) se adaugă în loc să anuleze, deoarece sunt multipli de trei ori frecvența de putere fundamentală și sunt distanțați cu 120 de grade electrice. Pe baza frecvenței fundamentale, curenții armonici triplen ai fiecărei faze sunt în fază între ei și, prin urmare, se adaugă în circuitul neutru. În condițiile cele mai nefavorabile, curentul neutru poate fi de 1,73 ori curentul de fază.