Zabezpieczenie przed przepięciami wynikającymi z czynności łączeniowych

Używanie urządzeń zabezpieczających przed skutkami przepięć wynikających z udarów spowodowanych czynnościami łączeniowymi w przypadku maszyn jest wymagane postanowieniem 7.9 normy PN-EN 60204-1, będącej najważniejszą normą dotyczącą wyposażenia elektrycznego maszyn.

Norma ta jest zharmonizowana z dyrektywą maszynową 2006/42/WE. Wg tego wymagania, urządzenia do ograniczenia przepięć spowodowanych udarami wynikającymi z czynności łączeniowych powinny być włączone między zaciski całego wyposażenia wymagającego takiej ochrony.

Wg Wikipedii, udar to krótki, nieregularny, destrukcyjny impuls napięcia o wartości setek do tysiąca kV. Przepięcia zaś to wzrost napięcia powyżej wartości znamionowej. Przez pojęcie przepięcia rozumie się wzrost napięcia ponad maksymalną wartość napięcia instalacji lub urządzenia elektrycznego. Przepięcia mogą uszkadzać izolacje urządzeń i aparatów elektrycznych, wywołują iskrzenie, niszczą urządzenia elektryczne, a szczególnie elektroniczne. Mogą rozprzestrzeniać się wewnątrz rozpatrywanego obwodu, ale mogą także wnikać do obwodu poprzez tzw. sprzężenia elektromagnetyczne.

Przepięcia mogą powodować wahania napięcia m.in. z powodu zmiany impedancji obwodu zasilania, zmiany wartości skutecznej prądu lub zmiany widma prądu (w odkształconych przebiegach prądu z powodu zmian widma amplitudowego i fazowego). W obwodach prądu stałego stabilizatory stosowane w zasilaczach ograniczają wahania napięcia wyjściowego a same zasilacze powinny być odporne na wahania napięcia wejściowego, mogą natomiast pojawić się najczęściej niepożądane skutki z powodu wyłączania obciążeń indukcyjnych.

W normie PN-EN ISO 12100 wahanie (lub zanik zasilania) energią systemu sterowania wymieniono jako jeden z powodów niebezpiecznego działania maszyny.

Występowanie takich wahań może być przyczyną nieodpowiedniego zachowania się systemu bezpieczeństwa, co może skutkować np. niewłaściwym działaniem elementów sterowania odpowiedzialnych za bezpieczeństwo. Norma PN-EN ISO 12100 podaje następujące przykłady niebezpiecznego działania maszyny (p. 6.2.11.1):

• niezamierzone/nieoczekiwane uruchomienie,
• niekontrolowana zmiany prędkości,
• utrata możliwości zatrzymania części ruchomych,
• spadnięcie lub wyrzucenie części maszyny lub przedmiotu obrabianego umocowanego w maszynie,
• działanie maszyny spowodowane nieskutecznością urządzeń ochronnych (w wyniku udaremnienia działania lub uszkodzenia).

Same wahania energii nie są oczywiście jedyną przyczyną w/w niebezpieczeństw, wszystko bowiem zależy od projektu. Mogą natomiast być jedną z przyczyn, dlatego – oprócz wymagania dotyczącego takiego doboru wyposażenia i urządzeń o zadowalającym prawdopodobieństwie wystąpienia przypadkowych niebezpiecznych uszkodzeń sprzętowych – przeciwdziałaniem przyczynom powstawania niebezpieczeństw jest również odpowiedni projekt sterowania maszyny, uwzględniający taką ewentualność.

Elementy systemu sterowania związane z bezpieczeństwem powinny nadal utrzymywać lub inicjować sygnały wyjściowe, które umożliwią innym częściom systemu maszyny zachowanie stanu zapewniającego bezpieczeństwo.

W artykule tym skupię się nad problematyką powstawania przepięć w elementach łączeniowych o charakterze indukcyjnym, typu przekaźniki, styczniki i cewki zaworów. Cewki tych elementów w stanie zadziałania mają dużą indukcyjność, co powoduje, że przy wyłączaniu na cewce występuje gwałtowny wzrost napięcia. Zjawisko to występuje zarówno przy cewkach sterowanych napięciem stałym, jak i przemiennym. Jeżeli elementem wyłączającym cewkę przekaźnika jest np. tranzystor, to może nastąpić uszkodzenie tego elementu. Przepięcia o wysokiej wartości mogą być przyczyną przedwczesnego zużycia styków załączających cewkę w przypadku, gdy sterowanie cewką odbywa się poprzez styki innego urządzenia o mechanicznie zamykanych zestykach i doprowadzić do uszkodzeń przewodów dołączonych do cewek elementów łączeniowych. W dodatku, takie zakłócenia mogą niekorzystnie wpływać na działanie pobliskich układów elektronicznych (np. z powodu sprzężeń indukcyjnych), które mogą powodować powstanie błędnych sygnałów w układzie sterowania i doprowadzić do powstania dodatkowych zagrożeń.

Aby zrozumieć naturę przepięć, rozpatrzmy przypadek pokazany na rysunku poniżej. Aby diody LED -D1..-D10 zaświeciły się, każda z diod potrzebuje napięcia 2V. Aby zaświecić wszystkie diody pokazane na schemacie, potrzebujemy napięcia 20V, a źródło zasilania jest baterią o napięciu tylko 9V. Czy układ ma prawo zadziałać?

Przypatrzmy się jeszcze raz powyższemu schematowi. Diody LED w stosunku do źródła zasilania są połączone zaporowo, więc źródłem zasilania ich nie będzie bezpośrednio bateria, a cewka przekaźnika –K1 i to tylko w momencie, gdy styki przekaźnika -K1 rozłączą się. Diody -D1..-D10 błysną na moment. Przy takiej konfiguracji jak na rysunku, cewka jest zdolna do wytworzenia impulsu napięcia o wartości nawet 300V! W poniższym układzie styki przekaźnika są tak podłączone, że w spoczynku umożliwiają przepływ prądu z baterii przez cewkę przekaźnika. Przekaźnik zadziała z drobnym opóźnieniem – ułamek sekundy po dołączeniu napięcia. Wtedy przełączy styki i przerwie obwód prądu. Po przerwaniu prądu przekaźnik puści – z opóźnieniem o kolejny ułamek sekundy. Styki znów zostaną zwarte i po kolejnym ułamku sekundy przekaźnik znów zadziała. Cykl będzie się powtarzał i przekaźnik będzie terkotał. Otrzymamy prosty generator elektromechaniczny [1].

Kliknij poniżej, aby wyświetlić dalszą część artykułu