Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 11/2016 vyšlo tiskem
7. 11. 2016. V elektronické verzi na webu od 1. 12. 2016. 

Téma: Rozváděče a rozváděčová technika; Točivé stroje a výkonová elektronika

Hlavní článek
Lithiové trakční akumulátory pro elektromobilitu

Aktuality

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…

Češi v domácnostech více svítí a experimentují se světlem, doma mají přes 48 milionů svítidel Češi začali v domácnostech více svítit a snaží se vytvořit lepší světelné podmínky:…

Více aktualit

Nadměrné oteplení v rozváděči aneb termické problémy pod kontrolou

z německého originálu časopisu de, 12/2008, vydavatelství Hüthig & Pflaum
Verlag GmbH München, upravil Ing. Josef Košťál, redakce Elektro
 
 
Tepelně kritické situace v rozváděčích mohou v nejnepříznivějším případě způsobit požár. Jejich vznik lze však rozpoznat již podle prvních příznaků, které by měl odpovědný elektroodborník umět identifikovat a odborně na ně reagovat. Tento příspěvek, který vznikl na základě dotazů elektrotechnika z praxe, se zabývá touto problematikou podrobněji z hlediska termiky a elektromagnetické kompatibility.
 

Popis situace

Elektrotechnik z praxe popsal provozní situaci s rozváděči takto:
 
Dva rozváděče o rozměrech 1 000 × 750 × 300 mm (š × v × h) z lakovaného ocelového plechu (pasivní odvod tepla přes skříň podle výrobce asi 400 W) byly osazeny každý po jednom aktivním větráku o výkonu 71 m3·h–1. Větráky byly umístěny vedle sebe na jedné řídicí skříni (obr. 1). V prostředí, ve kterém byly tyto rozváděče instalovány, byl náročný průmyslový provoz, v němž se i svařovalo (minimální požadavek na krytí je IP54).
 
Každý rozváděč obsahoval jeden měnič frekvence pro elektromotor 18,5 kW, dva měniče frekvence pro elektromotor 11 kW (obr. 2) a jeden aktivní filtr (obr. 3). Výrobce měničů frekvence uváděl tyto ztrátové výkony:
  • měnič frekvence pro elektromotor 18,5 kW má při vytížení 100 % ztrátový výkon 975 W, při vytížení 70 % ztrátový výkon 698 W,
  • měnič frekvence pro elektromotor 11 kW má při vytížení 100 % ztrátový výkon 600 W, při vytížení 70 % ztrátový výkon 435 W.
Firma stanovila, že se tyto přídavné rozváděče mají čistit s týdenní periodicitou. Při těchto činnostech bylo mj. zjištěno, že:
  • mřížky výstupního vzduchu jsou částečně zdeformovány (nataveny) nadměrnou teplotou (obr. 4),
  • vnitřní prostor rozváděče nelze již pro spečenou nečistotu čistit (uvnitř to vypadá jako po deseti letech provozu),
  • při teplotě okolí 22 °C se teplota uvnitř rozváděčů pohybuje okolo 50 °C, ačkoliv předepsaná provozní teplota je pro měniče frekvence maximálně 40 °C,
  • motorová vedení nejsou stíněna.

Otázky

Na základě uvedené provozní situace formuloval elektrotechnik tyto dotazy:
  1. Existují nějaká pravidla s ohledem na velikost rozváděčů s vestavěnými měniči frekvence, popř. dalšími přístroji s extrémním ztrátovým výkonem?
  2. Existují nějaké požadavky z hlediska elektromagnetické kompatibility?
  3. Odpovídá velikost skříní u popsaného vybavení uznávaným pravidlům techniky?
  4. Co se stane při výpadku některého větráku?
  5. Je možné navrhovat rozváděč s tím, že systém sledování teploty při příliš velké vnitřní teplotě odpojí původce této nadměrné teploty?

Odpověď na uvedenou provozní situaci

U popsaných nedostatků a nepochybných známek opotřebení je patrné, že zde něco není zcela v pořádku. Protože rozváděč s měničem frekvence musí pracovat bezpečně a bezporuchově, zdá se, že v tomto případě nebylo dostatečně dbáno na obecná pravidla techniky.
 
Ztrátový výkon měničů frekvence je zčásti značný. Tento výkon se zpravidla mění na teplo, takže v mnoha průmyslových zařízeních není možné udržet kontrolu nad teplotou v rozváděči jinak než použitím chladicích agregátů. Popsaný stav větráků dává tušit, že systémy odvodu vzduchu jsou zcela přetíženy. Toto může mít obecně různé příčiny. Některé z nich jsou popsány v dalším textu.
  • Je možné, že větráky byly poddimenzovanány. To znamená, že na základě nedostatečného odvětrání dochází v rozváděči k vývinu nadměrného tepla. To má za následek příliš časté zapínání větráku.
  • Rovněž je možné, že rozváděč je díky třídě krytí tak těsný, že dovnitř proudí příliš málo vnějšího vzduchu. Větrák v tomto případě nebude schopen odsávat z rozváděče dostatečné množství teplého vzduchu (a to ani kdyby byl správně dimenzován, nebo dokonce i předimenzován). Nepřípustné oteplení by mělo obávaný negativní následek.
  • Další možností by mohlo být ucpání případného vzduchového filtru systému větráku v důsledku jeho velkého znečištění, což by mělo stejný následek jako v předchozím domnělém případě.
Je-li znečištění příliš velké, doporučuje se zkusit provoz rozváděče s přetlakem. To znamená, že větrák vzduch z rozváděče nevysává, ale naopak ho do něj vhání. Větráky, které vzduch z rozváděče vyfukují ven, se nepřímo a bezděčně starají o to, že se s nasávaným vzduchem z okolí dostávají dovnitř nečistoty a prach. Vhání-li ale naopak větrák do rozváděče vzduch, je vzduch z rozváděče vytlačován ven. Díky tomu nedochází k nasávání částeček prachu a jiných nečistot. Předpokladem ovšem je vybavení větráku filtrem, popř. filtrační soustavou, kde se vzduch nasávaný z okolí čistí. Takovýto filtr je však třeba pravidelně čistit, popř. měnit. Tento účinek lze ještě zesílit tím, že se pro vzduch proudící ven z rozváděče vytvoří cílené otvory. Ty by měly být vytvořeny na více místech, aby nebyl proud vzduchu v rozváděči příliš soustředěn do jednoho místa (centra).
 
Nejlepší možností je však přímé chlazení chladicím agregátem. Nevýhodou zde ovšem zůstává finanční náročnost tohoto řešení, neboť chladicí agregát vyjde zpravidla dráž než samotný větrák. Naproti tomu tím odpadne pravděpodobně stálé a nepochybně také značně nepříjemné čištění vnitřního prostoru rozváděče. To, že je větrák přetěžován takovýmto způsobem, dává spíše tušit, že spínač nadměrné teploty měniče frekvence nedostatečně zvládá riziko přehřátí (zde je možné pochybovat také o věrohodnosti výrobce, jde-li o uvedené technické parametry).
 

Odpověď na otázku ad 1

Samozřejmě existují normy k tzv. kombinaci spínacích přístrojů nízkého napětí (což je technicky správné označení z hlediska norem). Nejdůležitější norma k tomuto tématu je EN 60439-1 ed. 2 (Rozváděče nn – Část 1: Typově zkoušené a částečně typově zkoušené rozváděče). V odst. 7.3 je popsána zkouška oteplení. Tab. 2 tohoto odstavce uvádí dovolené oteplení jednotlivých součástek v rozváděči. Popis zkoušky samotné se nachází v odst. 8.2.1 této normy. Ve zmíněné tab. 2 se s ohledem na elektrická zařízení umístěná v rozváděči (např. spínací a elektronické přístroje, regulátory napájecích jednotek nebo také přístroje, jako jsou měniče frekvence s filtrací) uvádí: „Podle platných ustanovení produktových norem, která platí pro jednotlivé přístroje, nebo podle údajů výrobce těchto přístrojů, s ohledem na vnitřní teplotu kombinace spínacích přístrojů.“
 
Výrobce měniče frekvence musí tedy u svých výrobků stanovit hodnotu maximální teploty skříně. Údaje o tepelném stavu rozváděče lze získat měřením teplot (např. termografickým měřicím přístrojem). Udává-li výrobce namísto toho maximální teplotu prostředí, je třeba brát zřetel i na tento údaj. Výrobce rozváděče může k tomu uvést, jak velké mohou být tepelné ztráty při daném rozdílu teplot, tj. mezi teplotou v rozváděči a teplotou okolí. Tento údaj sice ještě nemá požadovanou vypovídací schopnost, protože nejde o obecnou (aktuální) teplotu uvnitř rozváděče, ale o provozní, popř. mezní teplotu podle tab. 2 zmíněné normy. Nicméně již z tohoto údaje lze přibližně odvodit, zda zde budou předpokládané elektrické přístroje v bezpečí s ohledem na oteplení. (Za poněkud nejistý je však třeba v tomto smyslu považovat výsledek v případě použití nuceného větrání, resp. odvětrání.)
 

Odpověď na otázku ad 2

Neméně významný faktor, se kterým je nutné počítat, je elektromagnetická kompatibilita (EMC, Electro-Magnetic Compatibility). Přitom je třeba rozlišovat mezi EMC v rozváděči a v ostatních elektrických zařízeních. Jde-li o rozváděč, není asi možné stanovit paušální vymezení. Kompatibilita v tomto smyslu obecně znamená, že různá elektrická zařízení a přístroje budou v daném prostředí fungovat bezpečně. Přitom záleží na intenzitě rušivého vyzařování obvyklých zdrojů rušení (kam patří např. také měnič frekvence), jakož i na míře odolnosti proti tomuto rušení jednotlivých elektrických zařízení a přístrojů, které na tato rušení potenciálně reagují (regulátory, ochrany apod.) – tzv. rušené spotřebiče. Mezní hodnoty pro hladiny rušivého vyzařování, resp. odolnosti proti rušení, jsou popsány např. v normách EN 61000 (Elektromagnetická kompatibilita), EN 55014 (Elektromagnetická kompatibilita – Požadavky na spotřebiče pro domácnost, elektrické nářadí a podobné přístroje) a EN 55015 ed. 2 (Meze a metody měření charakteristik rádiového rušení způsobeného elektrickými svítidly a podobným zařízením). Elektrické přístroje v rozváděči musí být z tohoto důvodu voleny tak, aby nerušily ostatní přístroje a aby předpokládaný přístroj sám mohl bezporuchově fungovat. V krajním případě je třeba učinit dodatečná opatření, např. pospojování, stínění nebo odstup. Pro rušivý účinek rozváděče se všemi jeho vestavěnými prvky směrem ven existují zákonné předpisy, např. v Německu je to BImSchV (Bundes-Immissionsschutzverordnung, spolkové nařízení o ochraně před imisemi). Zvláště je třeba zde zmínit 26. nařízení (26. BImSchV) k provádění spolkového zákona o ochraně před imisemi pod názvem Nařízení o elektromagnetických polích. Jde-li o měniče frekvence, lze kromě toho najít důležitá upozornění v normě EN 61800-3 (Systémy elektrických výkonových pohonů s nastavitelnou rychlostí – Část 3: EMC-norma výrobku zahrnující specifické zkušební metody). Zda jsou splněny požadavky 26. BImSchV, popř. EN 61800-3, lze zjistit pouze měřením přímo v místě instalace (tab. 1 a tab. 2).
 
To, že elektrický přívod k motoru za měničem frekvence není proveden jako stíněný, ještě a priori neznamená nedodržení požadavků EMC (např. mohlo být dostatečné stínění přívodu k motoru vytvořeno sinusovým filtrem, který byl instalován za měničem frekvence).
 

Odpověď na otázku ad 3

Jsou-li dodrženy mezní teploty – viz ad 2, není žádný důvod ke kritice. Existují samozřejmě i jiné důvody hovořící pro dostatečně velký vnitřní prostor. Jeden z nich je ten, že musí být umožněna bezpečnost práce (např. při připojování dalších přístrojů nebo při vykonávání oprav). Má-li bezpečně fungovat nucené větrání, resp. odvětrání, musí být k dispozici také dostatečně velký prostor, aby byly vytvořeny podmínky pro ochlazování přístrojů proudem vzduchu, aniž by se i přes zapnutý větrák vytvářela tepelná centra.
 

Odpověď na otázku ad 4

Protože větrák přebírá úlohu hlídače nadměrných teplot, je zde třeba počítat s úplným výpadkem zařízení. V extrémním případě může díky tomu vzniknout požár, který by vyšel z rozváděče (a určitě by to nebyl první požár, jehož příčinou byl vypadlý větrák). Aby bylo možné takovýmto katastrofickým scénářům zabránit, je třeba předem naplánovat u tepelně citlivých zařízení v rozváděči příslušné kontrolní mechanismy.
 

Odpověď na otázku ad 5

Systém sledování teploty nepřebírá kontrolu, zda je dodržována mezní teplota. Tím by toto bezpečnostní zařízení bylo degradováno na dvoupolohový regulátor, který by měl udržovat celé zařízení na určité teplotní hladině. To by ovšem také znamenalo, že je třeba vždy počítat (totiž v případě překročení mezní teploty) s úplným výpadkem provozu měniče frekvence. Tento systém sledování teploty musí naopak začít fungovat – jak je uvedeno v odpovědi ad 4, vypadne-li např. větrák.
 
Obr. 1. Celkový pohled zpředu a z boku
Obr. 2. Pohled do vnitřku se třemi měniči frekvence
Obr. 3. Aktivní větrák ve dveřích rozváděče
Obr. 4. Deformovaná výstupní mřížka
 
Tab. 1. Mezní hodnoty pro vysokofrekvenční rušivá pole
Tab. 2. Mezní hodnoty pro nízkofrekvenční rušivá pole