În rețelele de distribuție a energiei, calitatea energiei electrice este esențială pentru performanța sistemelor automatizate. Fluctuațiile de tensiune, instabilitățile de frecvență și zgomotul pot afecta echipamentele, iar sursele interne, precum dispozitivele de automatizare, pot contribui la aceste probleme. Din fericire, există soluții eficiente pentru a stabiliza alimentarea și a reduce impactul negativ asupra rețelei. Sursele de alimentare optimizate și componentele de putere joacă un rol crucial în menținerea stabilității sistemului. Cele mai frecvente probleme sunt zgomotul și perturbațiile armonice, iar parametrii cheie, precum factorul de putere și timpul de susținere, sunt esențiali pentru performanță.
Figura 1: Această sursă de alimentare monofazată PULS CP-Series se montează pe șină DIN, utilizată frecvent în automatizările industriale. Caracteristicile includ imunitate ridicată la fenomene tranzitorii și supratensiuni, precum și emisii electromagnetice reduse, contact releu DC-OK, rezerve de putere de ieșire de 20% (despre care vom vorbi mai târziu în acest articol) și o creștere minimă a curentului de intrare. Sursa de alimentare, prevăzută cu un strat special de acoperire, îndeplinește și funcții de corecție activă a factorului de putere sau PFC. (Sursa imaginii: EE World)
Cele două categorii principale de probleme legate de calitatea energiei electrice care apar în echipamente sunt zgomotul și perturbațiile armonice.
Zgomotul electric în alimentarea cu energie se referă la variațiile tensiunii de înaltă frecvență. Frecvența înaltă este un termen relativ – dar se referă întotdeauna la frecvențe considerabil mai mari decât frecvența curentului alternativ al sistemului. Dacă analizăm semnalul în domeniul timp, un curent alternativ ar trebui să apară ca o undă sinusoidală lină. Zgomotul face ca unda să fie zimțată și neregulată.
Întotdeauna apare zgomot în alimentarea cu energie electrică a utilajelor, cauzat de rezistența firelor conductoare utilizate. Un astfel de zgomot se numește zgomot termic și este, în general, o problemă neglijabilă. Un zgomot mai semnificativ și potențial dăunător este cel cauzat de sarcinile locale, cum ar fi aparatele de sudură și motoarele electrice. Zgomotul produs de astfel de componente și sisteme poate fi adesea dificil de cuantificat – și prezintă cel mai mare risc de producere a supraîncălzirii, uzurii și chiar defectării subcomponentelor echipamentelor afectate.
Figura 2: Formele de undă ale armonicelor sunt multipli întregi ai frecvenței fundamentale care (în sistemele de energie electrică) se pot combina cu forma de undă fundamentală și pot cauza probleme. Armonicele provin, de obicei, de la sarcini electrice sau de la un utilaj. (Sursa imaginii: Design World)
Armonicile electrice sunt perturbări ale tensiunii sau curentului la frecvențe care reprezintă multipli întregi ai frecvenței curentului alternativ al sistemului. Acestea sunt cauzate de sarcini neliniare precum redresoarele, sursele de alimentare ale calculatoarelor, iluminatul fluorescent și anumite tipuri de motoare electrice cu viteză variabilă. Armonicile de curent tind să fie mai mari decât armonicile de tensiune și, de fapt, tind să le antreneze pe acestea din urmă.
Aceste armonici electrice (datorită modului în care induc generarea de căldură) pot degrada radical eficiența și durata de viață a motoarelor electrice. De asemenea, ele pot provoca vibrații și pulsații ale cuplului la ieșirea mecanică a motoarelor electrice – ceea ce scurtează durata de viață subcomponentelor de transmisie a puterii care sunt integrate în motoare – în special rulmenții care susțin arborele.
Parametrii cheie ai sistemului de alimentare
Două specificații importante pentru sursele de alimentare includ factorul de putere și timpul de susținere.
Factorul de putere este un raport adimensional utilizat pentru a descrie diferența dintre puterea reală și puterea aparentă în sistemele de curent alternativ. Puterea aparentă este combinația dintre puterea reală și puterea reactivă. În schimb, puterea reactivă este extrasă din rețea, stocată momentan și apoi returnată fără a fi consumată. Aceasta este cauzată, de obicei, de sarcini inductive sau capacitive – ceea ce duce la defazarea curentului și a tensiunii. Puterea reactivă crește sarcina pe sistemele de distribuție, reduce calitatea energiei electrice și conduce la facturi mai mari la energie.
Figura 3: Modulul de putere de 85-100 wați AC-DC din seria TML 100C de la Traco Power. Factorul de corecție activă a puterii (PFC) asigură un factor de putere mai bun de 0,95 (pentru 230 Vca) și mai bun de 0,99 (pentru 115 Vca). (Sursa imaginii: Traco Power)
În condiții ideale, un sistem ar trebui să aibă un factor de putere de unu – ceea ce înseamnă că nu există putere reactivă în sistem. Proiectele cu factori de putere mai mici de 0,95 determină o creștere a sarcinii pe sistemul de distribuție și pot genera taxe pentru energia reactivă.
Timpul de susținere reprezintă perioada în care o sursă de alimentare poate continua să furnizeze energie în limitele tensiunii specificate după o întrerupere a alimentării. Luați în considerare cazul surselor de alimentare neîntreruptibile (UPS) și al generatoarelor – tipuri de energie de rezervă utilizate pentru a asigura continuitatea operațiunilor automatizate în timpul penelor de curent și al căderilor de tensiune. După cum se explică, mai amănunțit, în secțiunea finală a acestui articol, un UPS trebuie să furnizeze energie pentru orice perioadă importantă. Dar, în funcție de designul UPS-ului, acestea pot introduce o întârziere de până la 25 msec între o pană de curent și inițierea alimentării cu energie de către UPS.
Timpul de susținere al sursei de alimentare permite acesteia să acopere acest decalaj, folosind în mare parte energia stocată în capacitoare. De fapt, sursele de alimentare cu comutație tind să aibă timpi de susținere mai mari decât sursele de alimentare liniare, datorită capacitoarelor lor de voltaj mai ridicat.
Alte caracteristici pentru rezolvarea problemelor de alimentare induse de utilaje
Împământarea, izolarea și convertoarele de putere cu filtrare constituie baza pentru o sursă de alimentare de calitate.
Împământare: O împământare corespunzătoare este esențială pentru ca o sursă de alimentare să funcționeze corect. Aceasta oferă o tensiune de referință (de la care sunt măsurate toate celelalte tensiuni) și o cale de întoarcere pentru curentul electric. Citiți articolul Digi-Key What You Need to Know about Ground Fault Sensing and Protection pentru mai multe informații pe această temă.
Izolare: Deși sursele de alimentare neizolate pot fi mai eficiente energetic și mai compacte, izolarea între tensiunea de intrare și cea de ieșire protejează împotriva trecerii unor tensiuni periculoase la ieșire în cazul defectării unei componente. Izolarea poate fi, de asemenea, necesară pentru a proteja operatorii de tensiuni periculoase sau pentru a proteja echipamentul de fluctuații bruște și supratensiuni temporare.
Tipurile de izolare includ:
- Izolare fizică între componente
- Cuplare inductivă prin transformator – convertoare de putere care modifică tensiunea unui sistem de alimentare
- Cuplare optică – cel mai potrivit pentru transferul de semnal între diferite părți ale unui sistem de alimentare, asigurând în același timp un nivel foarte ridicat de izolare.
Figura 4: Sursele de alimentare funcționează adesea pe post de convertoare de putere putând avea două roluri principale: 1) modificarea tensiunii sau frecvenței unei surse de curent alternativ sau 2) redresarea sau convertirea curentului alternativ în curent continuu. Exemplu concret: Un convertor AC/DC produs de Vicor Corp. (48V, 400W, cu modulația impulsurilor în frecvență (PFM)) are filtrare integrată și protecție împotriva supratensiunilor tranzitorii. O limitare importantă: convertorul Vicor Integrated Adapter (VIA) funcționează doar dacă primește o tensiune alternativă sinusoidală redresată de la o sursă externă – cu un factor de putere controlat de dispozitiv. Armonicele sunt conforme cu IEC 61000-3-2, iar filtrarea internă îl ajută să respecte cerințele legate de protecția la supratensiuni și interferențe electromagnetice (EMI). (Sursa imaginii: Vicor Corp.)
Filtre electrice și suprimarea supratensiunilor: Blocarea supratensiunilor duce la eliminarea fenomenelor tranzitorii și supratensiunilor temporare, protejând echipamentele electrice de efectele acestor condiții de supratensiune. În schimb, filtrele electrice netezesc tensiunea sistemului pentru a elimina zgomotul și armonicele. Citiți despre filtrele de pe sursele de alimentare industriale utilizate în aeronavele mari (cu surse electrice de 400 Hz) într-un articol de pe digikey.com pe această temă. Sau luați în considerare un alt tip de filtru electric frecvent utilizat în instalațiile automatizate aflate în apropierea punctului în care energia electrică este consumată – filtrele LC care completează variatoarele de viteză ale motoarelor. Filtrele LC sunt un tip de circuit rezonant cu un inductor L și un capacitor C (numit și circuit acordat) utilizat pentru a genera un semnal de ieșire la o frecvență prestabilită. În cazul motoarelor, aceste filtre sunt folosite, de obicei, pentru a transforma tensiunea de ieșire PWM dreptunghiulară a unui variator de viteză într-o undă sinusoidală netedă cu un riplu rezidual redus. Printre avantaje se numără prelungirea duratei de viață a motorului prin evitarea variațiilor rapide de tensiune (dv/dt ridicat), a supratensiunilor, a supraîncălzirii și a pierderilor cauzate de curenții turbionari (eddy-current).
Figura 5: Acesta este un filtru LC pentru unde sinusoidale produs de Schaffner EMC Inc. creat pentru a ajuta variatoarele de viteză să livreze unde sinusoidale netede către înfășurările motorului fără vârfuri de tensiune. De asemenea, filtrul permite utilizarea unor cabluri de alimentare mai lungi între motor și variator. (Sursa imaginii: Schaffner EMC Inc.)
Dispozitivele de protecție împotriva supratensiunilor funcționează fie prin blocarea, fie prin scurtcircuitarea curentului – sau prin combinarea acestor măsuri.
Protecție la supratensiune prin blocare: Curentul poate fi blocat cu ajutorul inductoarelor care atenuează variațiile bruște de curent. Totuși, cele mai multe dispozitive de protecție la supratensiune provoacă un scurtcircuit atunci când are loc un exces de tensiune, redirecționând curentul înapoi în liniile de distribuție a energiei, unde este disipat de rezistența din firele circuitului.
Protecție la supratensiune prin scurtcircuit: Scurtcircuitarea rapidă (declanșată atunci când tensiunea depășește un nivel stabilit) se realizează cu ajutorul unui spațiu de descărcare, al unui tub de descărcare sau al unui dispozitiv semiconductor. Doar rareori (în cazul unor supratensiuni foarte mari sau prelungite) supratensiunile topesc liniile de alimentare sau componentele interne ale dispozitivului de protecție la supratensiune. Capacitoarele pot, de asemenea, să amortizeze variațiile bruște de tensiune.
Specificațiile cheie pentru dispozitivele de protecție împotriva supratensiunilor includ tensiunea de blocare, timpul de răspuns și puterea nominală. Tensiunea de blocare – cunoscută și sub denumirea de tensiune de trecere – este tensiunea maximă permisă să treacă prin dispozitivul de protecție împotriva supratensiunilor. Dispozitivele de 120V au, de obicei, o tensiune de blocare de 220V. Puterea nominală (exprimată, de obicei, în jouli) este puterea maximă care poate fi absorbită înainte ca elementele de protecție împotriva supratensiunilor să se ardă și să cedeze.
O specificație importantă, dar adesea neglijată, pentru dispozitivele de protecție împotriva supratensiunilor este ce se întâmplă atunci când dispozitivul de protecție cedează. Dacă o supratensiune depășește puterea nominală a dispozitivului de protecție, iar subcomponentele interne cedează, dispozitivul respectiv nu va mai putea proteja împotriva supratensiunilor ulterioare. Dar acest lucru nu înseamnă că alimentarea este întreruptă: Există dispozitive de protecție la supratensiune (cum ar fi cele destinate protejării serverelor sau a dispozitivelor de memorie) care vor continua să livreze energie după defecțiune. Singurul indiciu conform căruia protecția împotriva supratensiunilor nu mai există poate fi o lumină de avertizare. Alte dispozitive de protecție la supratensiune întrerup, într-adevăr, alimentarea sau reduc transmisia de energie atunci când se defectează.
UPS-urile completează generatoarele în aplicații critice
UPS-urile și generatoarele pentru alimentarea de rezervă asigură continuitatea operațiunilor în timpul întreruperilor temporare de alimentare. UPS-urile utilizează baterii și sunt proiectate, de obicei, pentru a furniza energie pentru perioade de câteva minute până la câteva ore. Generatoarele utilizează un motor pentru a furniza energie pentru perioade prelungite, limitate doar de combustibilul disponibil.
UPS-urile oferă un răspuns instantaneu la o pană de curent, asigurând că alimentarea cu energie este neîntreruptă. Generatoarele, pe de altă parte, au un timp de pornire de cel puțin câteva secunde. Pentru aplicațiile în care este necesară o alimentare continuă, un UPS trebuie să fie combinat cu un generator pentru a furniza energie până când acesta pornește.
Figura 6: Această sursă de alimentare neîntreruptibilă (UPS) de 24Vcc, 5A se montează pe șină DIN și asigură până la 25 de minute de alimentare de rezervă la sarcină maximă. (Sursa imaginii: Phoenix Contact)
UPS-urile protejează echipamentele de întreruperile de curent. UPS-urile offline sau dependente de tensiune și frecvență sunt cele mai rentabile, dar au două neajunsuri majore:
- În condiții normale, UPS-urile offline trec curentul de la baterie direct la ieșire. Atunci când circuitele UPS-ului detectează o pană de curent, un comutator conectează bateria la ieșire prin intermediul unui invertor. Aceasta înseamnă că alimentarea poate fi întreruptă cu până la 25 msec.
- De asemenea, UPS-urile offline oferă o protecție redusă sau inexistentă împotriva altor probleme legate de calitatea alimentării, cum ar fi supratensiunile și zgomotul.
În schimb, un UPS de tip “line-interactive” sau “voltage-independent” (VI) funcționează, în esență, în același mod ca un UPS dependent de tensiune și frecvență, dar dispune de un stabilizator de tensiune suplimentar pentru a îmbunătăți calitatea ieșirii de energie în condiții normale de operare. Astfel de sisteme necesită, totuși, un timp de comutare în care alimentarea este întreruptă, dar acesta este, de obicei, de aproximativ 5 msec, ceea ce se încadrează în timpul de așteptare al majorității surselor de alimentare.
UPS-urile online, cunoscute și sub denumirea de UPS-uri independente de tensiune și frecvență, fac un pas mai departe în ceea ce privește complexitatea surselor de alimentare pentru a oferi cea mai mare protecție. În cazul acestora, sarcina nu este conectată direct la rețeaua de alimentare, aceasta fiind permanent alimentată de la bateria sistemului, care este încărcată continuu de la rețea. Alimentarea cu curent alternativ de la rețea este transformată la tensiunea necesară bateriei și redresată în curent continuu, astfel încât să poată încărca bateria. Alimentarea de la baterii este apoi inversată pentru a produce curent alternativ și crescută de un alt transformator la tensiunea rețelei. Aceasta înseamnă că problemele legate de calitatea alimentării nu afectează ieșirea, fiind asigurate niveluri înalte de calitate a alimentării, precum și protecție. Însă, acest lucru duce, în egală măsură, la scăderea considerabilă a eficienței energetice și la creșterea costurilor inițiale aferente UPS-ului.
Pentru toate sarcinile, cu excepția celor mai sensibile și critice, un UPS offline cuplat cu o sursă de alimentare cu un timp de susținere suficient este o alegere mai bună.
Concluzie
Determinarea cerințelor unui proiect în ceea ce privește calitatea energiei electrice este primul pas în prevenirea timpilor morți și a costurilor de întreținere cauzate de o alimentare necorespunzătoare, zgomot electric și armonici. Aceste cerințe variază semnificativ în funcție de designul utilajului și de funcțiile sale. Totuși, odată ce acești parametri sunt definiți, inginerii proiectanți pot să specifice corect sursele de alimentare cu filtre, cu protecție împotriva supratensiunilor, cu alimentare de rezervă și cu sisteme de îmbunătățire a calității energiei electrice. Acest lucru poate crește substanțial fiabilitatea echipamentelor automatizate.
Autor: Rolf Horn – Inginer de aplicații
Rolf Horn, inginer de aplicații la DigiKey, face parte din grupul european de asistență tehnică din 2014, având responsabilitatea principală de a răspunde la orice întrebări legate de dezvoltare și inginerie de la clienții finali din EMEA, precum și de a scrie și corecta articole și bloguri în limba germană pe platformele TechForum și maker.io ale DK. Înainte de DigiKey, a lucrat la mai mulți producători din domeniul semiconductorilor, axându-se pe sisteme embedded FPGA, microcontrolere și procesoare pentru aplicații industriale și auto. Rolf deține o diplomă în inginerie electrică și electronică de la Universitatea de Științe Aplicate din München, Bavaria și și-a început cariera profesională la un distribuitor local de produse electronice în calitate de arhitect de soluții de sistem pentru a-și împărtăși cunoștințele și expertiza în continuă creștere în calitate de consilier de încredere. Hobby-uri: petrecerea timpului cu familia + prietenii, călătoriile cu autorulota personală VW-California și plimbarea cu motocicleta, un BMW GS 100 din 1988.
DigiKey | https://www.digikey.ro
