Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 12/2016 vyšlo tiskem
7. 12. 2016. V elektronické verzi na webu od 6. 1. 2017. 

Téma: Měření, měřicí přístroje a měřicí technika; Zkušebnictví a diagnostika

Hlavní článek
Lithiové trakční akumulátory pro elektromobilitu (2. část – dokončení)

Aktuality

Svítící fasáda FEL ČVUT nabídne veřejnosti interaktivní program s názvem Creative Colours of FEL Dne 13. prosince v 16.30 hodin se v pražských Dejvicích veřejnosti představí interaktivní…

Fakulta elektrotechnická je na špici excelentního výzkumu na ČVUT Expertní panely Rady vlády pro výzkum, vývoj, inovace (RVVI) vybraly ve II. pilíři…

Švýcaři v referendu odmítli uzavřít jaderné elektrárny dříve V referendu hlasovalo 45 procent obyvatel, z toho 54,2 procent voličů řeklo návrhu na…

Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. 11. 2016 den otevřených dveří Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. listopadu od 8.30 hodin Den otevřených…

Calliope mini – multifunkční deska Calliope mini poskytuje kreativní možnosti pro každého. A nezáleží na tom, zda jde o…

Ocenění v soutěži České hlavičky získal za elektromagnetický urychlovač student FEL ČVUT Student programu Elektronika a komunikace Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze Vojtěch…

Více aktualit

Elektronické spínání v systému SIRIUS SC

číslo 8-9/2003

Mezinárodní strojírenský veletrh

Elektronické spínání v systému SIRIUS SC

Ing. Jan Chrástecký, Siemens s. r. o.,
divize Automatizace a pohony (A&D CD)

Snaha o dodržení co nejvyšší kvality a produktivity vede ve výrobních procesech k extrémní četnosti spínání činných i indukčních zátěží. Příkladem jsou výstupy regulátorů teploty, řízení dopravníků, podavačů a plniček. V takových případech obvykle není životnost sebelepších elektromechanických prvků vyhovující.
Podívejme se blíže na možnosti a nedostatky současných polovodičových spínačů z hlediska průmyslových aplikací. Inovační řešení odstraňuje řadu komplikací, vede ke snížení nákladů a pootevírá dveře zařazování elektronických spínačů ve větší šíři.

Obr. 1.

Aplikace

Jedním z příkladů je vytápění u vyfukovacích lisů na plasty nebo topná vedení u potrubí v chemickém a potravinářském průmyslu. Topná tělesa jsou ovládána z regulátorů teploty, přičemž vícebodové regulátory vydávají povely v trvání od několika sekund do 200 ms. To vede ke spínací četnosti několika tisíc cyklů za hodinu. Rozumnou dobu životnosti zde nemůžeme očekávat od klasických relé nebo stykačů. Obdobným příkladem je řízení plnících ventilů nebo ovládání dopravníkových motorků.

Obvyklým řešením je nasazení polovodičových spínacích relé (Solid State Relais), jejichž standardní rozměr je 45mm a která se používají na společném chladiči, nebo polovodičových stykačů – ty již mají na rozdíl od SSR již vhodný chladič. Současný sortiment ale neposkytuje příliš možností k systémovému řešení. Uveďme pro ilustraci některé skutečnosti.

Hlídání zátěže

Uplatňuje se kvůli vyšším požadavkům na produktivitu a minimalizaci odstávek. Příkladem jsou topná pásková tělesa u vyfukovacích lisů, kdy se více sekcí spíná jedním polovodičovým spínačem. Ovšem časem může nastat porucha některého z těles a teplotní poměry se odchýlí od předepsaného profilu. Včasná identifikace poruchy znamená méně zmetků a rychlejší nápravu.

Dosud používaná řešení znamenají poměrně náročnou montáž, jak po elektrické tak i mechanické stránce náročnější, než je ve srovnání s běžnými elektromechanickými spínači obvyklé. Nějakou dobu zabere i nastavování aktuálních poměrů metodou pokusů a omylů. Podobně je tomu také u regulačních doplňků, které mají vyrovnat vlivy stárnutí zátěže.

Připojování a ochrana před nebezpečným dotykem

Pro polovodičové spínače v současnosti platí výrobková evropská norma EN 60947-4-3, která stanovuje přísné požadavky na ochranu živých částí. Dnes běžná 45mm polovodičová relé, ale i množství polovodičových stykačů, vyžadují ke splnění těchto požadavků dodatečná opatření.

Obr. 2.

Přitom nyní velký počet koncových uživatelů, například automobilky, již vyžadují techniku rychlého připojení pomocí pružinových svorek, kde je to jenom možné. U elektromechanických stykačů je technika bezšroubových svorek již zavedenou věcí; dnešní polovodičové přístroje ale mají buď přívody vhodné pro kabelová oka nebo běžné šroubové svorky, často se šroubky volně přibalenými. Samozřejmě se v rozváděčích používají také klasické prvky, takže na poměrně malém prostoru se vyskytují rozličné připojovací techniky. Tato pestrost jistě nepřispívá ke zrychlení montáže ani k dobrému dojmu při přejímce.

Ochrana proti zkratu

Volba vhodné ochrany proti účinkům zkratu vyžaduje jistou zkušenost. Polovodičové přístroje se v případě zkratu zničí během milisekund a systémová řešení na trhu nejsou. Výrobci elektronických spínačů často ani vhodné ochranné prvky nenabízejí, takže existují nespočetná individuální řešení, zčásti s rychlými pojistkami, zčásti s běžnými jističi charakteristiky B a předimenzovanými výkonovými polovodičovými součástkami.

Ztrátové teplo

Podobná situace, která zvyšuje náklady na projekci a objednávání, je také tepelné dimenzování polovodičových spínačů. Vzhledem k vysoké četnosti spínání nepřipadá v úvahu použití překlenovacích relé (bypass-relay), takže je třeba odvést veškeré tepelné ztráty. Obvykle se montuje větší počet polovodičových relé na společný chladič, jako je to časté u plastikářských lisů. Při menším počtu polovodičových spínačů (asi do deseti) volí výrobce obvykle polovodičové stykače, např. u dřevozpracujících strojů. Zkušenost ukazuje, že obvyklá teplota okolí 25 °C, pro níž se udávají typové jmenovité proudy, je daleko od poměrů v praxi.

Elektromagnetická kompatibilita (EMC)

Vlastnosti současných elektronických spínačů jsou možným zdrojem závad. Standardní moderní PLC totiž pracují s výstupními úrovněmi 24 V DC, přičemž polovodičová relé většinou nejsou přímo kompatibilní a vyžadují ovládací napětí o úrovni 5 nebo 3 V. Nízká napěťová hladina řídicího vstupu a přítomnost průmyslového rušení například od regulovaných pohonů potom snadno způsobí nežádoucí náhodné sepnutí a tím odchylku od požadovaného teplotního průběhu.

Inovační řešení

Krokem k odstranění výše uvedených problémů je systémový přístup uplatněný společností SIEMENS u nové řady systému SIRIUS SC. Tak se aplikační složitost polovodičových spínačů o krok přiblížila k jednoduchosti nasazení klasických elektromechanických spínačů a zákazník má k dispozici širokou škálu výrobků pro kompletní řešení regulačního obvodu.

Obr. 3.

Základem jsou polovodičové spínače, které lze zatěžovat jmenovitým proudem až do teploty okolí 40 °C, přičemž Siemens nabízí jednak kompletní přístroje s chladičem (tzn. polovodičové stykače – obr. 2), jednak polovodičová relé. Relé jsou dodávána v klasickém designu „kostky„ o šířce 45mm nebo v novém prostorově úsporném tvaru šířky 22 mm.

Silové přívody vedou shora dolů, jak je obvyklé u normálních přístrojů pro rozváděče. Ovládací vstup je kompatibilní s řídicím automatem.

Všechny přístroje jsou provedeny s krytím IP20. Tím je bez dodatečných opatření splněn požadavek normy EN 60947-4-3, která je nutná pro certifikaci CE.

Varianty připojení přívodů jsou celkem tři: šroubové klecové svorky, svorky pro kabelové oko a pružinové bezšroubové svorky (obr. 1). Ovládací vstup je na konektoru, což zmenšuje možnost chybného zapojení.

Ochrana proti zkratu je součástí systému, výrobce je i dodavatelem rychlých pojistek SITOR a poskytuje odzkoušená řešení odpovídající zkratové koordinaci typu 1 nebo 2.

Pro využití ve veřejných elektrických rozvodech existuje nízkoemisní varianta s rušivým elektromagnetickým vyzařováním třídy B.

A ještě něco „navrch„

K přístrojům SIRIUS SC kromě toho patří celá řada funkčních modulů, které se jednoduše nasadí na horní stranu spínače namísto ovládacího konektoru. Jde například o analogově-digitální převodníky k přizpůsobení na výstup regulátorů s analogovým výstupem, jaké se často používají v procesní automatizaci nebo v technice budov. Regulační modul stabilizuje výkon na zátěži, například v aplikacích, kde není možné snímat teplotu procesu. Lze jej také využít ke kompenzaci kolísání napětí sítě, nelinearit nebo stárnutí topných elementů (MoSi2, SiC – molybden, křemík, uhlík). Žádaná hodnota se zadává přes analogový vstup nebo potenciometrem. Obr. 4. Omezení zapínacího proudu prodlužuje životnost zátěží jako jsou například žárovková svítidla nebo reflektory. Moduly hlídání zátěže jsou ve dvou variantách – pro 6 nebo 12 dílčích zátěží (topných sekcí). Umějí rozlišit poruchu zátěže, sítě nebo tyristoru a jejich chování je nastavitelné.

Všechny polovodičové spínače a funkční moduly jsou elektricky a mechanicky sjednoceny, spojují se nasazením a další elektrické nebo mechanické propojování není zapotřebí. To eliminuje zapojovací chyby. Je-li to vhodné, jsou funkční moduly samoučicí. To znamená, že při nastavování parametrů není potřeba žádné dodatečné měření, ale referenční stav se načte stiskem tlačítka.

Shrnutí

Řada polovodičových spínačů 3RF2… zahrnuje hotové přístroje s chladičem pro montáž nasazením na DIN lištu i polovodičová relé (SSR) pro montáž na společný chladič. Přístroje se šířkou 22,5mm znamenají úsporu místa až 30 % proti současným tvarům kostky 45 mm. Poskytují řešení pro aplikace s vysokou četností spínacích dějů, přičemž se oproti dosavadnímu stavu zmenšuje možnost vzniku chyb, montážní i projektová náročnost. Rozsah jejich použití je od 24 do 690 V při 50 Hz a jmenovité proudy od 10 do 90 A při 40 °C.

Tato nová řada vhodně doplňuje řídicí systémy téhož výrobce, ať již z oblasti automatizace (S7, PCS7) nebo motion control, přičemž posouvá stav techniky směrem ke zjednodušení projekce a montáže, a tedy k jednotnému přístupu ke klasické i polovodičové spínací technice.

Siemens s. r. o., divize Automatizace a pohony
Evropská 33a
160 00 Prah 6
tel.: 233 032 445-6
http://www.siemens.cz/ad