STO zintegrowane

BEZPIECZEŃSTWO W NAPĘDACH ELEKTRYCZNYCH W PRAKTYCE

Rys. 7. Dwa styczniki połączone szeregowo zwiększają pewność zadziałania zabezpieczenia

Komponentem układów napędowych PDS(SR) jest przemiennik częstotliwości SR (Safety-Related). Urządzenie to pozwala realizować jedną lub więcej funkcji bezpieczeństwa. Można go przykładowo wykorzystać w połączeniu z modułem bezpieczeństwa i innymi, dodatkowymi komponentami (czujnikami, przekaźnikami, stycznikami, obwodami blokad, itp.).

Obecnie jednak coraz częściej funkcje zdefiniowane w PN-EN 61800-5-2 są integrowane bezpośrednio w falowniku. Takie rozwiązanie ma z pewnością wiele zalet. Im więcej elementów wchodzi w skład systemu bezpieczeństwa maszyny, tym większy jest stopień jego komplikacji i zawodności oraz koszty.

Na te ostatnie składają się wydatki na sam sprzęt oraz na okablowanie, którym przesyłane będą sygnały z czujników oraz te sterujące elementami wykonawczymi. Połączenie i skonfigurowanie wielu urządzeń, tak by ze sobą współpracowały, może zająć sporo czasu na etapie budowy, jak i później podczas napraw, konserwacji lub rozbudowy systemu.

Integracja funkcji bezpieczeństwa w jednym urządzeniu zapewnia ponadto oszczędność miejsca, co ma wpływ na rozmiary całej maszyny. Poniżej przedstawiono przykład realizacji bezpiecznego wyłączenia momentu silnika z wykorzystaniem komponentów elektromechanicznych oraz w sposób zintegrowany. STO jest funkcją elementarną i najczęściej wbudowywaną w przemienniki częstotliwości.

PRZYKŁAD - STO

Rys. 8. Uproszczony schemat przemiennika częstotliwości

Do realizacji funkcji bezpiecznego wyłączenia momentu silnika można użyć rozłącznika bezpieczeństwa, który odłączy napęd od źródła napięcia (rys. 6a) lub przekaźnika, który steruje stycznikiem odcinającym zasilanie od napędu lub bezpośrednio od silnika. Stycznik można bowiem zainstalować na wejściu (rys. 6b) lub na wyjściu (rys. 6c) przemiennika częstotliwości.

Każda z tych konfiguracji ma zalety oraz wady wynikające ze specyfiki konstrukcji zarówno styczników, jak i samych falowników. Jeżeli to ostatnie nie zostanie uwzględnione, nie można mieć pewności, że zabezpieczenie będzie niezawodne. Umieszczając stycznik na wyjściu przemiennika, należy pamiętać, że z reguły styczniki te są przystosowane do odcinania prądu o częstotliwości 50 lub 60 Hz.

Tymczasem częstotliwość prądu wyjściowego przemiennika w zależności od aktualnej prędkości silnika może się zmieniać w bardzo szerokim zakresie. Jeżeli w momencie otwarcia stycznika będzie ona zbyt mała, na stykach może wystąpić zjawisko łuku elektrycznego. To z kolei może wywołać pożar lub spowodować stopienie, a w efekcie trwałe złączenie się styków. Z tego powodu łącznik ten nie będzie dłużej spełniał swojej funkcji.

ŚRODKI ZARADCZE

Rys. 9. Uproszczony schemat obwodu zintegrowanej funkcji STO

Dlatego zanim stycznik zostanie przełączony, przez wyjście falownika nie powinien już płynąć prąd. Można to uzyskać, korzystając z przemienników wyposażonych w wejście sterujące, które blokuje przepływ prądu przez to urządzenie. Instalując stycznik na wejściu przemiennika można uniknąć zjawiska łuku elektrycznego.

Wówczas jednak należy się liczyć z wolniejszym restartem silnika, na którego wydłużenie wpływ ma obecność obwodu DC na wejściu tego urządzenia. Realizując funkcję STO z użyciem komponentów elektromechanicznych, trzeba również uwzględnić możliwość ich niezadziałania, na przykład w wyniku zużycia się styków (mechanicznego lub elektrycznego).

Aby zapobiec takiej sytuacji, zwykle w obwodzie bezpieczeństwa montowane są nadmiarowe komponenty, na przykład dwa szeregowo połączone styczniki jak na rysunku 7. Stan obu tych urządzeń powinien być monitorowany przez przekaźnik, tak by w razie awarii jednego ze styczników drugi na czas odłączył silnik od zasilania.

Adam Depta

Lenze Polska

Gdzie konieczne jest stosowanie napędów z funkcjami bezpieczeństwa? Na jakie przepisy prawne należy zwrócić uwagę?

Napędy z funkcjami bezpieczeństwa stosuje się wszędzie tam, gdzie dochodzić może do wypadków, narażone być życie ludzkie oraz tam, gdzie awarie mogą doprowadzić do uszkodzenia instalacji technologicznych lub powstawia szkód związanych z zanieczyszczeniem środowiska. Moduły bezpieczeństwa w napędach pozwalają na uproszczenie instalacji elektrycznej, obniżają koszty inwestycji, zwiększają "elastyczność" systemu bezpieczeństwa.

Bazę dla rozwiązań w zakresie bezpieczeństwa technicznego stanowią obowiązujące normy oraz dyrektywy. W Unii Europejskiej wykładnią jest Dyrektywa Maszynowa i do nie muszą być dostosowane systemy bezpieczeństwa funkcjonalnego maszyn oraz instalacji. Duże znaczenie mają tutaj normy EN 62061 (Bezpieczeństwo maszyn - Bezpieczeństwo funkcjonalne elektrycznych, elektronicznych i elektronicznych programowalnych systemów sterowania związanych z bezpieczeństwem) oraz EN ISO 13849-1.

Z jakich funkcji bezpieczeństwa korzystają klienci? Od czego zależy wybór napędu?

Najczęściej wykorzystywane są: STO, SS1, SS2. Napędy z takimi wbudowanymi funkcjami należy stosować tam, gdzie zostały wydzielone strefy bezpieczeństwa. Wybór rozwiązania zależy przy tym od trybu pracy maszyny czy urządzenia (tryb pracy w jednym kierunku, tryb pracy normalny, tryb pracy oczekiwania, itp.) oraz od wyniku oszacowanego ryzyka - określenia PFD czy MTTF.

Jakie są trendy technologiczne związane z bezpiecznymi napędami? Jakie urządzenia z Państwa oferty cieszą się w omawianym zakresie największą popularnością?

Ze względu na stale rosnącą wydajność musi być możliwe utrzymanie ciągłości pracy w zdefiniowanych strefach ochronnych bez zatrzymywania całego procesu produkcyjnego. Powoduje to stosowanie systemów bezpieczeństwa podzielonych na strefy bezpieczeństwa. Jeżeli chodzi o inne trendy, to obecnie coraz częściej stosowane są coraz prostsze przemienniki częstotliwości wyposażone w moduły bezpieczeństwa.

W przypadku Lenze największa popularnością cieszą się wyposażone w moduły bezpieczeństwa przemienniki częstotliwości z serii 8400, 9400 oraz i700.

STO ZINTEGROWANE

Na rysunku 8 przedstawiono uproszczony schemat przemiennika częstotliwości. Stopień wyjściowy tego urządzenia stanowią trzy pary tranzystorów IGBT wykorzystywane do wytworzenia trójfazowego napięcia przemiennego zasilającego silnik. Częścią falownika jest również układ sterowania przełączaniem tranzystorów.

W najprostszym przypadku powinien on zapewnić stały stosunek wartości i częstotliwości napięcia wyjściowego, a w rezultacie niezmienny moment obrotowy silnika. Aby zrealizować funkcję bezpiecznego wyłączenia momentu, należy zablokować dopływ impulsów sterujących tranzystorami. Uproszczony schemat takiego zabezpieczenia zamieszczono na rysunku 9.

W tym przypadku po aktywowaniu funkcji STO odłączane jest zasilanie modułu sterownika oraz optoizolatora, za pośrednictwem którego przesyłane są sygnały sterujące z kontrolera do tranzystorów falownika.

Należy pamiętać, że bezpieczne wyłączanie momentu zintegrowane w falowniku tylko w oparciu o komponenty półprzewodnikowe nie zapewnia ochrony przed porażeniem elektrycznym. Czynności naprawcze lub konserwacyjne w silniku lub napędzie można zatem rozpocząć dopiero po odłączeniu napędu od zasilania.

Monika Jaworowska