Защита от пренапрежение за CNC машина
CNC е абревиатура от „компютърно цифрово управление“, което представлява автоматизирано управление на машини за механична обработка като бормашини, стругове, фрези и 3D принтери с помощта на компютър.
В зависимост от приложението си, CNC машините разполагат с различни видове електроника, вариращи от – специализирана електроника /PLC / дисплейни единици с или без сензорни екрани, интерфейс към PC и др.
Неизправностите в CNC машините се дължат на две важни смущения (налични променливи) в нисковолтовата мрежа – грешки в стационарно състояние и преходни грешки.
Стационарните грешки се състоят главно от пренапрежение, което продължава няколко цикъла (надигане), хармоници, RFI/EMI ефекти и др.
Преходните грешки включват преходни пренапрежения, т.е. мълнии и превключвателни пренапрежения, дължащи се на операции като заваряване, превключване на кондензаторни батерии и др.
Двете основни причини за повреди, причинени от мълнии
Пряко ударение от мълния. Това е много рядко, защото CNC машините са инсталирани вътре в сграда и се захранват от подразпределителни табла, докато само главното разпределително табло понася ударите от пряко ударение от мълния в райони, предразположени към мълнии. Другата причина, която често остава незабелязана, е индуктивното ударение от мълния. В този случай токът от мълнията се пренася по всички видове кабели, с изключение на оптичните кабели.
Преди да обсъдим SPD, нека първо разберем какво е пренапрежение и как то ще повлияе на нашите CNC машини, за да бъде по-лесно да инсталираме подходящи SPD за защита на CNC машините.
С прости думи, пренапрежението е внезапно увеличение на тока и напрежението за кратък период от време (с продължителност 350 микросекунди при мълния и 20 микросекунди при превключване). Има различни източници на пренапрежение.
Изкуствените преходни пренапрежения възникват в резултат на спадове в напрежението, прекъсвания на електрозахранването, превключване на кондензатори, често включване/изключване на тежко оборудване, заваряване, електростатично разряждане и др. Природата генерира два вида пренапрежения: преки удари от мълнии, които са изключително редки, и непреки пренапрежения, предизвикани от мълнии на разстояние, които са често срещани.
Защита на електрониката на CNC машината от пренапрежения и избягване на повреда на Eprom
Мнозина смятат, че ако не видят изгоряла печатна платка, няма да приемат, че проблемът се дължи на мълния/превключващ токов удар. По-често срещаният проблем, с който се сблъскваме в нормалния живот на растенията, е повреда на EPROM (изтриваема програмируема памет само за четене).
Това се вижда от внезапната поява на нежелани данни в панела MMI (Man Machine Interface). Като цяло, не е обичайна практика да се превключва тази верига на PLC или DCS в ръчен режим, да се премахва повреденият EPROM, да се изтрива с UV изтривател, да се препрограмира и да се връща в експлоатация, тъй като това е дълъг и отнемащ време процес, който води до загуба на производство. Ако разгледаме защо се случва такава повреда на EPROM, причината ще бъде пренапрежение.
Защото по време на програмирането към определени пинове на EPROM се прилага напрежение, по-високо от нормалното работно напрежение (така че EPROM да разбере, че е в режим на програмиране, а не в нормален работен режим).
По време на скок на напрежението се случва същото нещо. Тъй като в пиновете на IC се появява внезапно високо напрежение, той смята, че е в режим на програмиране, а другите, защото в пиновете се появява допълнително високо напрежение.
Това е причината за събирането на EPROM. В резултат на това интензивността на пренапреженията е единствената причина за повреда или повреждане на програмите в CNC машината. SMD и електронното оборудване на CNC машините са проектирани да издържат на незначително повишение на нивата на напрежение, което попада в границите на допустимата толерантност.
Това се нарича оборудване, издържащо на напрежение, и обикновено е 1000 V AC RMS за 1 минута за PLC и електронно оборудване с входно напрежение 230V AC. Ако възникне токов удар с такава величина, оборудването не се поврежда. Тези нива са по-високи от стандартната граница на допустимо отклонение; с течение на времето те са достатъчно високи, за да повредят оборудването трайно.
Разпространени митове:
Като цяло считаме, че SPD не са необходими, тъй като разполагаме с редица (други съществуващи) защитни мерки, а именно:. външен мълниезащитен уред, MCB/ MCCB, добро заземяване, свързване, екраниране, изолационни трансформатори, UPS, искробезопасни бариери, изолатори.
За съжаление, целите на всички тези устройства са съвсем различни и не са свързани с предпазването на оборудването от преходни пренапрежения. Нека анализираме обхвата на всяко едно от тях.
- Външна мълниезащита с добро заземяване е за защита на сградата от директни удари от мълнии.
- MCB (миниатюрен прекъсвач) или MCCB (прекъсвач с формован корпус) е за защита на оборудването от къси съединения, дължащи се на протичането на токови отклонения с честота на електроенергията. MCB или MCCB работят в рамките на милисекунди, което означава, че преди MCB или MCCB да открие токови отклонения, те вече са преминали през тях и са повредили оборудването.
- Заземяване е както за безопасността на персонала, така и за безопасността на оборудването.
- Свързване е да се намали съпротивлението на земята и да се поддържа еквипотенциалност.
- Екраниране се прави, за да се защити оборудването от RFI/EMI ефекти.
- Изолационен трансформатор се използва главно за защита на оборудването от повреди, които възникват от първичната страна. Например, в случай на късо съединение от първичната страна, оборудването, свързано към вторичната страна, няма да бъде засегнато, ако е свързано чрез изолационен трансформатор.
- UPS (непрекъсваемо електрозахранване) както самото име подсказва, се използват за осигуряване на непрекъснато захранване от батерията в случай на прекъсване на електрозахранването или за регулиране на захранването в тесен диапазон.
- Искробезопасни бариери или изолатори се използват в опасни зони на заводи (например рафинерии, нефтохимически заводи, заводи за торове и др.), за да ограничат електрическата енергия до много ниски нива, така че дори в случай на късо съединение наличната мощност да е твърде ниска, за да предизвика искра или пожар.
Следователно SPD са единствените защити за CNC машините срещу преходни пренапрежения. Сега можем да обсъдим правилния избор и монтаж на SPD за безпроблемна работа на CNC машината.
В зависимост от входящото захранване на CNC машината, т.е. 3 фази с неутрална или без неутрална, SPD трябва да бъдат инсталирани с потенциално свободен контакт, термичен прекъсвач, включително базов елемент и вмъкнати ограничители, които да бъдат свързани между фаза и неутрална (3 броя за 3 фази към неутрална) и между неутрална и защитно заземяване. SPD за трифазно електрозахранване (L-N), (N-E) на местния или подразпределителния табло или разклонителния панел трябва да имат l MOV за L-N (С MCOV от 275 V, за да се справят с колебанията в електрозахранването и SPARK GAP за N-E. Класът на изискванията е клас I + II съгласно IEC 61643-11. Това е първото ниво на защита.
За да може MMI да има 24V DC захранване или PLC с DI/DO, трябва да бъдат избрани подходящи SPD, освен че трябва да има SPD клас I + II в главния разпределителен табло.
По-долу изброяваме машините, които се нуждаят от защита от пренапрежение:
| Видове машини | |
| Стругове: | Рязане на металФормоване на метал |
| Машини за пластмаси: | Машини за шприцово формованеМашини за екструдиранеМашини за раздувно формованеСпециализирани машини за обработкаМашини за термостатично формованеОборудване за намаляване на размера |
| Дървообработващи машини: | Дървообработващи машиниЛаминиращи машиниДърводелски машини |
| Машини за обработка на материали: | Индустриални роботиТрансферни машиниСортиращи машини |
| Машини за инспекция/тестване: | Координатни измервателни машиниМашини за измерване по време на производствения процес |
| Опаковъчни машини: | Машини за опаковане с картонМашини за пълнене на барабаниМашини за палетизиране |
CNC защита от пренапрежение и филтриране на захранването
Защитата от пренапрежение и мълнии за CNC (компютърно цифрово управление) оборудване е от първостепенно значение за предпазването на тези сложни и ценни машини от разрушителните ефекти на преходни състояния и пренапрежения. CNC машините, които обхващат широка гама от стругове и фрези до лазерни системи и 3D принтери, играят ключова роля в съвременните производствени процеси. Тези машини са податливи на колебания в напрежението, преходни пикове и електрически пренапрежения, които могат да бъдат причинени от различни източници, включително мълнии, колебания в електропреносната мрежа или превключване на оборудване.
Значението на защитата от пренапрежение на CNC машините
Внедряването на защита от пренапрежение помага да се предпазят CNC машините от аномалии в напрежението, като се предотвратяват потенциално катастрофални повреди, които могат да доведат до прекъсване на работата, загуба на материали и последващи финансови загуби. Пренапрежението може да наруши работата, да влоши точността и прецизността на тези машини, да причини неизправности и блокирания и дори да доведе до необратими повреди, което налага скъпи ремонти или подмяна.
Защита от пренапрежение за VFD
Устройства за защита от пренапрежение може да се използва за защита на VFD от преходни напрежения, пикове и токови удари, които обикновено се причиняват от мълнии.
Честотно регулируем привод (VFD)
Честотно регулируемият привод (VFD), известен също като привод с променлива скорост (VSD), е основният компонент на всяка движеща се част в електрическото оборудване.
Това устройство позволява контрол на скоростта на почти всеки електрически мотор, който иначе би работил винаги с постоянна скорост. Това се постига чрез регулиране на изходната честота на електрическите двигатели.
VFD се използват в множество приложения: помпени панели, HVAC компресори, конвейери, CNC машини, вентилатори, скорост на металорежещи машини и др. Поради това те се използват в различни индустрии, като пречистване на отпадъчни води, нефт и газ, и индустриални машини.
Защита от пренапрежение за честотни преобразуватели
Честотният преобразувател обикновено се състои от изправител, верига за постоянен ток, инвертор и електронна система за управление (фигура 1).
Фигура 1 – Основен принцип на честотен преобразувател
На входа на инвертора еднофазно променливо напрежение или трифазно променливо напрежение между фазите се преобразува в пулсиращо постоянно напрежение и се подава към постояннотоковата връзка, която служи и като система за съхранение на енергия (буфер).
Кондензаторите в DC веригата и заземените L-C секции в мрежовия филтър могат да причинят проблеми с предпазните устройства за остатъчен ток (RCD) нагоре по веригата. Тези проблеми често се свързват погрешно с ограничителите на пренапрежение. Те обаче се причиняват от краткотрайни токове на късо съединение на честотния преобразувател, които са достатъчно високи, за да задействат чувствителни RCD. Това може да се предотврати чрез използване на прекъсвач RCD, устойчив на пренапрежение, който се предлага с разрядна способност 3 kA (8/20 µs) и по-висока за ток на задействане I.∆n = 30 mA.
Инверторът осигурява импулсно изходно напрежение чрез електронната система за управление. Колкото по-висока е честотата на импулсите на електронната система за управление за импулсна ширина на модулация, толкова по-близко е изходното напрежение до синусоидална крива. При всеки импулс обаче се получава пик на напрежението, който се наслагва върху основната вълна. Този пик на напрежението достига стойности над 1200 V (в зависимост от честотния преобразувател). Колкото по-добра е симулацията на синусоидалната крива, толкова по-добри са работните и контролните характеристики на двигателя. Това обаче означава, че на изхода на честотния преобразувател се появяват по-често пикове на напрежението.
За да изберете правилния ограничител на пренапрежение за вашия честотен преобразувател, трябва да се вземе предвид максималното непрекъснато работно напрежение Uc, което определя максималното допустимо работно напрежение, към което може да бъде свързан устройството за защита от пренапрежение. Поради пиковете на напрежение, които възникват по време на работата на честотните преобразуватели, трябва да се използват ограничители с висока стойност Uc, за да се избегне “изкуствено стареене” поради нагряването на ограничителя на пренапрежение при “нормални” условия на работа и свързаните с това пикове на напрежение.
Нагряването на ограничителите на пренапрежение може да доведе до съкращаване на експлоатационния им живот и до откачване на ограничителя от инсталацията, която трябва да защитава.
Фигура 2 – EMC-съвместимо екранирано свързване на захранващия кабел на двигателя
Високата честота на импулсите на изхода на честотния преобразувател причинява смущения, основани на полето. За да се избегне смущаване на други системи, кабелът на двигателя трябва да бъде екраниран. Екранът на кабела на двигателя трябва да бъде заземен и от двете страни, а именно на честотния преобразувател и на двигателя.
За тази цел трябва да се осигури контакт с голяма площ с екрана, за предпочитане чрез пружини с постоянна сила (фигура 2), за да се изпълнят изискванията за ЕМС. Взаимно свързаните системи за заземяване, а именно свързването на системата за заземяване на честотния преобразувател с тази на задвижващия двигател, намаляват потенциалните разлики между различните части на инсталацията, като по този начин предотвратяват протичането на изравнителни токове през екрана.
При интегриране на честотен преобразувател в автоматизацията на сградата, всички интерфейси за оценка и комуникация трябва да бъдат защитени с устройства за защита от пренапрежение, за да се предотврати повреда на системата, свързана с пренапрежение. Фигура 3 показва пример за интерфейс на контролера 4 – 20 mA.
Фигура 3 – Честотен преобразувател с задвижвания в LPZ 0A и LPZ 1
Препоръчителни SPD за CNC фрезови машини
Защита от пренапрежение като цяло
Свръхнапреженията могат да бъдат дългосрочни, временни или само краткотрайни (преходни). Преходните или пиковите напрежения са краткотрайни високи напрежения, които обикновено са много по-високи от 110% от номиналното напрежение. Преходните свръхнапрежения могат да имат атмосферен произход (удар от мълния) или да са преходни състояния при превключване в електропреносната мрежа. Популярна и ефективна защита срещу преходни свръхнапрежения е използването на ограничители на преходни напрежения.
Тези устройства имат силно нелинейна импеданс като функция на приложеното напрежение. При нормална работа (под праговото напрежение) ограничителите на пренапрежение имат много висока импеданс и през ограничителя протича само незначителен ток на утечка. Когато напрежението надвиши прага, импедансът драстично спада и ограничителят на пренапрежение създава път за пренапрежението. Ограничителите на пренапрежение обикновено се прилагат фаза към земя, между фази или комбинация от двете.
Фигура 4 – Инсталирани ограничители на пренапрежение фаза към земя и фаза към фаза.webp
Правилното изписване може да бъде както „surge arrester“, така и „surge arrestor“. Друго наименование е „surge protection device“ (SPD).
Подходящи ли са ограничителите на пренапрежение за защита на двигатели, захранвани от VFD?
Ограничителите на пренапрежение се използват често за защита на електрическото оборудване от прекомерни пренапрежения. В същото време много инвертори на напрежение генерират несинусоидални напрежения, които натоварват изолацията на машината. По този начин може да се зададе въпроса дали ограничителите на пренапрежение са подходящо средство за защита на двигателите, захранвани от честотни регулатори?
Кратният отговор е ‘Не’. Повечето задвижващи системи с инвертор с напрежение няма да се възползват от предпазителите от пренапрежение. Напротив, инсталирането на предпазители от пренапрежение вероятно ще доведе до
Фигура 5 – Подходящи ли са ограничителите на пренапрежение за защита на двигатели, захранвани от VFD?
Защита на честотни регулатори с устройства за защита от пренапрежение (SPD)
Сложната и високочувствителна електроника на базата на микропроцесори и мрежите за предаване на данни са интегрирани във всеки сектор на днешния динамичен бизнес свят. Защитата на тези критично важни системи от повреди, причинени от пренапрежения, пикове и преходни състояния, гарантира, че те са защитени от унищожаване на оборудването, прекъсване на услугата и скъпоструващо прекъсване на работата. Начинът, по който се инсталират тези SPD, може да бъде толкова важен, колкото и самото решение за тяхното закупуване.
Като цяло, правилно инсталираните устройства за защита от пренапрежение намаляват силата на случайни, високоенергийни, краткотрайни аномалии в електрозахранването. Тези явления обикновено се причиняват от атмосферни феномени (като мълнии), превключване на електрозахранването, индуктивни натоварвания и вътрешно генерирани пренапрежения.
Защита на дискове
Използването на различни видове задвижвания за управление на двигатели е широко разпространено. Целта на задвижването е да се повиши ефективността или да се управлява скоростта на управлявания двигател. Чрез различни процеси и механизми за управление, задвижването често преобразува синусоидата, за да предостави сигнал на двигателя, който позволява по-голяма ефективност, или променя честотата на сигнала, за да контролира скоростта на двигателя.
Поради действието на задвижването, качеството на електроенергията в електрическата среда може да бъде компрометирано. Тоест, задвижванията могат да създават напрежени скокове и хармоници в системата.
Прилагане на устройства за защита от пренапрежение (SPD) към задвижваща система, за да се намалят щетите, които могат да възникнат в резултат на пренапрежение, като се отчитат ефектите на хармониците върху устройството за защита от пренапрежение.
Приложение на SPD към задвижващата система
За да ви помогнем в описанието на приложението на SPD към задвижваща система, моля, вижте фигурата. Тази фигура илюстрира типична схема на задвижване. Входящата мощност обикновено е конфигурирана в триъгълник (3 фази и заземяване).
Често входящото напрежение е 480 V, но могат да се използват и други напрежения. Входящата мощност обикновено се понижава до по-ниско напрежение (обикновено 120 VAC), което захранва управляващата верига. Управляващата верига съдържа чувствителна електроника. След като захранването се активира от задвижването, изходът се подава към двигателя.
Както бе отбелязано, има пет възможности за защита на типичната задвижваща система – всяка от тях е обозначена с номер в кръгче и е описана по-долу.
- Вход на задвижване
Защитата на входа на задвижването е важна стъпка за защита на задвижващата система. Защитата на това място предотвратява повреди от пренапрежения, причинени от събития, разпространяващи се по електрическата система от източници нагоре по веригата, външни събития като мълнии и пренапрежения, създадени от електроразпределителната мрежа, и взаимодействието на няколко задвижвания в една и съща система.
На това място е подходящо да се използва паралелно свързан, реагиращ на напрежението електронен компонент – такъв, който не реагира на честотата. Не се препоръчва използването на реагиращ на честотата електронен компонент на това място, тъй като то обикновено е по-податливо на импулсни преходни състояния, за разлика от преходни състояния с пръстеновидни вълни.
- Вход на инвертора
Входът на инвертора е една от най-чувствителните и критични области на самия задвижващ механизъм. Именно на това място трябва да се обърне специално внимание и да се проведе подходящо проучване. Можете да инсталирате паралелно свързан, честотно чувствителен електронен компонент, при условие че сте се уверили, че не са инсталирани допълнителни кондензатори за намаляване на хармоничните токове в този задвижващ механизъм.
Ако са инсталирани допълнителни кондензатори, на това място е подходящо да се монтира паралелно свързан, реагиращ на напрежението електронен компонент – такъв, който не реагира на честотата. Електронни компоненти, реагиращи на честотата, не се препоръчват за това място поради високото съдържание на хармоници, което налага инсталирането на допълнителни кондензатори. Инсталирането на електронни компоненти, реагиращи на честотата, на това място ще доведе до повреда на SPD.
- Контролна верига
Контролната верига съдържа чувствителна електроника, която може да бъде повредена от средата, създадена от задвижването, или от пренапрежения от външни източници. Защитата на това място е от съществено значение.
Тъй като понижаващият трансформатор изолира тази верига и захранва чувствителна електроника, за това място се препоръчва SPD, свързан последователно с верига, реагираща на честотата.
- Изход на задвижването
Препоръчва се защита на непосредствения изход на задвижването, когато дължината на връзката между задвижването и двигателя е по-голяма от 15 м (50 фута) или ако връзката е прокарана по външна стена или на открито.
Една от причините за защита на непосредствения изход, когато дължината на връзката с двигателя е голяма, се дължи на отразените вълни, които могат да възникнат, когато сигналът (често с по-висока честота) от изхода на задвижването достигне двигателя и след това се отразява назад и напред между задвижването и двигателя. Това действие може да доведе до “натрупване на напрежение” – отразеното напрежение се добавя към номиналното напрежение и други отразени вълни. SPD ще спомогне за намаляване на пиковете на напрежението на отразените вълни.
Дългите кабели и тези, които са прокарани по външни стени или врати, могат да причинят отразени вълни. Отразените вълни възникват, когато сигналът (често с по-висока честота) от изходния драйвер достигне майката и се отразява назад и напред между драйвера и мотора. Това действие създава “натрупване на напрежение”. Отразеното напрежение се добавя към номиналното напрежение и други отразени вълни. SPD ще спомогне за намаляване на пиковете на напрежението на отразените вълни.
По-важното е, че ако връзката между задвижването и двигателя се простира на открито по път, който е изложен на въздействието на околната среда или е близо до стоманената конструкция на сградата, защитата на това място е от съществено значение за намаляване на ефектите от пряко удари от мълния или индуцирани напрежени скокове, дължащи се на близки мълнии. Тези скокове могат да причинят повреда на задвижването, дори ако е осигурена защита на входа на двигателя.
На това място е подходящо да се използва паралелно свързан, реагиращ на напрежението електронен компонент – такъв, който не реагира на честотата. Електронни компоненти, реагиращи на честотата, не се препоръчват за това място поради високото хармонично съдържание на сигнала, дължащо се на нормалната работа на задвижването. Монтирането на електронни компоненти, реагиращи на честотата, на това място ще доведе до повреда на SPD. Използването на електронен компонент, реагиращ на напрежението, на това място ще елиминира тази възможност.
- Моторен вход
Защитата на входа на двигателя е съществена стъпка в защитата на задвижващата система. Осигуряването на защита на това място предотвратява повреди от пренапрежения, причинени от събития, които се разпространяват от изхода на задвижването към входа на двигателя. Защитата на това място спомага за удължаване на живота на двигателя, тъй като SPD помага да се предотвратят повреди на намотките и лагерите на двигателя, причинени от пренапрежения.
Освен това, ако връзката между задвижването и двигателя се простира на открито по път, който е изложен на въздействието на околната среда или е близо до стоманената конструкция на сградата, защитата на това място е важна за намаляване на ефектите от пряко удари от мълния или индуцирани напрежени скокове, дължащи се на близки мълнии. Тези скокове могат да причинят повреда на двигателя, дори ако е осигурена защита на изхода на задвижването.
На това място е подходящо да се използва паралелно свързан, реагиращ на напрежението електронен компонент без реагиращ на честотата електронен компонент. Реагиращият на честотата електронен компонент не се препоръчва за това място поради високото хармонично съдържание на сигнала, дължащо се на нормалната работа на задвижването. Инсталирането на реагиращи на честотата електронни компоненти на това място ще доведе до повреда на SPD. Използването на реагиращ на напрежението електронен компонент на това място ще елиминира тази възможност.
Защита от пренапрежение и токови удари в честотни регулатори (VFD)
Както всяка друга електрическа система, VFD системите трябва да бъдат защитени от пренапрежения и преходни състояния на пренапрежение. Тези пренапрежения могат да произхождат от страна на електроразпределителната мрежа или да бъдат генерирани от самия задвижващ механизъм.
Обикновено пренапреженията, които идват от електроенергийната система, са по-редки и имат по-висока енергия и амплитуда. Тези пренапрежения могат да бъдат пренапрежения от мълнии или пренапрежения от превключване на електроенергийната система.
В допълнение към тези пренапрежения, работата на преобразувателя/инвертора също може да създаде пренапрежения, които могат да бъдат вредни за чувствителните електронни вериги. Ефективната защита от пренапрежения на задвижващата система трябва да предпазва електронните превключватели и управляващата верига, както и двигателя.
В типична задвижваща система има пет точки, на които да се поставят устройства за защита от пренапрежение, показани на фигура 6.
Фигура 6 – SPD, използвани на тези места, могат да използват защитни устройства
SPD, използвани в тези места, могат да използват защитни устройства с различни технологии. В търговските продукти някои SPD могат да бъдат интегрирани с други продукти, като филтри, за да осигуряват защита срещу лошо качество на електроенергията или високо хармонично изкривяване.
Всички приложения
| Усъвършенстван ротационен нож с камера за смесване | Въздушен компресор |
| Блистерна опаковка Термоформер | Картонена машина |
| Центрофуга | Конвейер |
| Кран/Подемник | Динамометър |
| Асансьори и ескалатори | Екструзия |
| Вентилатори/Вентилатори | Захранване до дължина |
| Общо машиностроене | ОВК |
| Напояване | Етикетиращ |
| Пералня | Линейно летящо ножице |
| Струг | Миксер |
| Опаковка | Палетизатор |
| Прецизно шлифоване | Помпа |
| Щанцова преса | Ротационен нож |
| Ротационен пласиращ механизъм | Винтова подаваща машина |
| Индексатор с въртяща се маса | Синхронизиращ ремък |
| Текстил | Навиване |
