Основи на DC шината в промишлените електрозадвижвания

Когато VFD или сервозадвижване откаже да премине в режим на готовност, се изключи непосредствено след подаване на захранване или многократно отчете повреда при стартиране, вниманието често се насочва директно към двигателя.

В много случаи обаче двигателят все още не е станал част от проблема.

Повредата може да се развива много по-рано по силовия път на задвижването.

Изправителят, кондензаторите на DC звеното и схемата за предварително зареждане работят преди инверторът да може да подаде контролирана мощност към двигателя.

Разбирането на тази последователност във входната част прави много повреди при стартиране значително по-лесни за интерпретиране.

Това също помага на техниците да избегнат подмяната на скъпи модули на задвижването, основана единствено на код за повреда.

Фигура 1. Опростена входна част на индустриално задвижване, показваща изправянето, съхранението на енергия в DC звеното и инверторния етап. Изображението е предоставено от Wake Industrial.

Какво всъщност прави DC шината

Конвенционалното AC задвижване съдържа няколко основни етапа на преобразуване на електроенергията.

Входният изправител преобразува входното AC захранване в DC.

DC звеното, обикновено наричано DC шина, съхранява и изглажда тази енергия с помощта на кондензаторна батерия.

След това инверторът превключва електронно DC захранването, за да създаде необходимия за двигателя изход с променлива честота и променливо напрежение.

При типично трифазно задвижване напрежението на DC шината е значително по-високо от средноквадратичното междуфазно напрежение на входната AC мрежа.

Система с 480 VAC обикновено създава заредена DC шина в диапазона приблизително 650–680 VDC.

Точната стойност зависи от входното напрежение, топологията на задвижването, натоварването и други електрически условия.

Това ниво на напрежение е една от причините DC звеното да изисква особено внимание при диагностика.

Шината съхранява значително количество електрическа енергия и може да остане опасна дори след изключване на входното захранване.

Защо подаването на захранване към задвижването създава пусков ток

Кондензаторите на DC звеното започват стартирането в разредено или частично разредено състояние.

В първия момент на подаване на захранване те представляват много нисък импеданс на зареждане.

Без ограничаване на тока изправителят би се опитал почти незабавно да зареди голяма кондензаторна батерия.

Полученият пусков ток може да бъде многократно по-висок от нормалния работен ток.

Импедансът на трансформатора, импедансът на захранващата линия, кабелите и други компоненти преди задвижването осигуряват известно ограничаване.

Обикновено те не са предназначени да служат като основен механизъм за ограничаване на пусковия ток на задвижването.

Прекомерният ток на зареждане може да натовари изправителните компоненти, предпазителите, прекъсвачите и превключващите устройства.

Повтарящото се превключване на голям ток може също да ускори износването на електрическите контакти.

Затова много по-големи задвижвания използват специална схема за предварително зареждане.

Предварителното зареждане управлява първите секунди на стартирането

Основната концепция зад предварителното зареждане е проста.

Вместо да свързва разредената група кондензатори директно към пълния път за зареждане, задвижването първоначално насочва тока през резистор или друга управлявана зарядна схема.

Това ограничава тока, докато напрежението на постояннотоковата шина се повишава.

Фигура 2. Типичната последователност на предварително зареждане ограничава първоначалния ток на кондензатора, преди да бъде установен нормалният път на захранване. Изображението е предоставено с любезното съдействие на Wake Industrial.

При нормална последователност напрежението на шината трябва да се повиши до очакваното ниво в рамките на времето, определено от конструкцията на задвижването.

След достигане на необходимия праг на напрежение много задвижвания заобикалят съпротивлението за предварително зареждане чрез реле или контактор.

При някои съоръжения техниците могат да чуят този преход като отчетливо щракване.

Точната реализация варира според производителите и продуктовите серии задвижвания.

При някои по-малки задвижвания тези функции са интегрирани в електронна схема, вместо да се използва очевидно външно контакторно устройство.

Принципът остава подобен: първо се управлява зареждането на кондензатора, а след това се установява нормалният път на захранване.

Ако тази последователност не завърши правилно, задвижването може да остане в състояние на зареждане, да отчете недостатъчно напрежение, да сигнализира за изтекло време за предварително зареждане или просто да откаже да премине в готовност.

Защо съхраняваните задвижвания изискват специално внимание

Кондензаторите на постояннотоковата връзка обикновено са електролитни кондензатори.

Продължителните периоди без напрежение могат да повлияят на състоянието на вътрешния им диелектрик.

Затова водещите производители на задвижвания публикуват процедури за възстановяване на кондензаторите в оборудване, съхранявано продължително време.

Възстановяването постепенно възстановява електрическите характеристики на кондензатора, преди да бъде включен в нормална работа.

Необходимият метод и периодът на съхранение зависят от производителя на задвижването и продуктовата серия.

Затова техниците трябва да следват приложимата процедура на производителя на оригиналното оборудване, вместо да прилагат общо правило за възстановяване.

Това е особено важно при пускане в експлоатация на резервни задвижвания, съхранявани дълго време, или на остаряло оборудване, извадено от складови наличности.

Изправителят е входът към постояннотоковата шина

Конвенционалният диоден изправител обикновено е един от първите основни полупроводникови етапи, през които преминава входящото захранване.

Късо съединен изправителен диод или мост може да причини сериозна повреда от входната страна.

Възможен симптом е незабавното задействане на предпазител или прекъсвач при подаване на захранване към задвижването.

Този симптом обаче не е характерен само за изправителя.

Късо съединени компоненти на постояннотоковата шина, устройства за потискане на пренапрежения или други повреди на силови полупроводници могат да доведат до сходно поведение.

Прекъснал път на изправяне може да създаде различен модел.

Задвижването може все още да показва признаци на захранване на управлението, докато напрежението на постояннотоковата шина не успява да достигне или да поддържа нормалното си ниво.

Необичайното изправяне също може да увеличи пулсациите на шината и нагряването на компонентите.

Поради тази причина незабавното изключване на входа трябва да се разглежда като признак за значителен проблем в силовия етап, а не като доказателство, че е повредило конкретно устройство.

Кондензаторите на постояннотоковата шина отказват по различен начин с остаряването си

Повредата на кондензатор не винаги означава впечатляващо разкъсване.

Сериозна вътрешна повреда може ефективно да свърже постояннотоковата шина накъсо и да предизвика незабавно задействане на защитното устройство.

Постепенното влошаване е по-трудно забележимо.

Електролитните кондензатори могат да загубят ефективен капацитет и да развият по-високо еквивалентно последователно съпротивление с остаряването си.

Задвижването може да продължи да работи, докато характеристиките му за съхранение на енергия постепенно се влошават.

Симптомите могат да включват увеличени пулсации на шината, намалена стабилност под товар, периодични събития на недостатъчно напрежение или необичайно поведение при зареждане.

Температурата, работните часове и електрическото натоварване влияят върху живота на кондензаторите.

Продължителното съхранение създава различен проблем и не бива автоматично да се приема като нормално експлоатационно износване.

Схемата за предварително зареждане може да откаже дори когато основният силов етап е изправен

Задвижването може да има изправен изправител и изправна кондензаторна банка, но въпреки това да не успее при стартиране, тъй като последователността на зареждане не може да завърши.

Прекъснал резистор за предварително зареждане може да прекъсне контролирания път за зареждане.

Повредено байпасно реле или контактор може да позволи зареждането на шината, но да попречи на задвижването да премине към нормален режим на работа.

Схемата на задвижването, която управлява това устройство, също може да се повреди.

Измерването на напрежението на шината добавя още една възможна точка на отказ.

Ако действителното напрежение на шината достигне необходимото ниво, но системата за управление не го отчете правилно, задвижването може да се държи така, сякаш зареждането никога не е завършило.

Това разграничение е полезно при отстраняване на неизправности.

Ниско напрежение на постояннотоковата шина и неправилно отчетено напрежение на постояннотоковата шина са различни проблеми, дори когато resulting стартовата повреда изглежда сходна.

Моментното изключване при включване насочва към сериозна повреда във входния силов етап

Моментът на възникване на повредата е един от най-полезните диагностични ориентири.

Ако входният предпазител изгори почти веднага при подаване на захранване, е имало твърде малко време за започване на нормалната работа на задвижването.

Затова първо трябва да се провери входният силов етап и постояннотоковата шина.

Възможните причини включват късо съединение в изправителя, късо съединение в кондензатора на постояннотоковата шина, повреден потискащ компонент или друго късо съединение в силовата част на задвижването.

Повреда в инвертор по веригата надолу по веригата също може да повлияе на постояннотоковата шина при някои конструкции.

Ключовият момент е времето на възникване.

Моменталното изключване показва различна категория повреда в сравнение със задвижване, което се зарежда нормално и отказва едва след получаване на команда за работа.

Задвижване, което остава в режим на предварително зареждане, показва друга картина

Друг често срещан симптом е задвижване, което захранва дисплея или управляващата си електроника, но никога не достига състояние на готовност.

Това често насочва към последователността на зареждане, а не към незабавно твърдо късо съединение.

Ако напрежението на шината се повиши само частично, техникът може да се наложи да провери веригата за предварително зареждане, прекомерния ток на утечка в постояннотоковата междинна верига или необичайно натоварване на шината.

Ако шината се доближава до очакваното си напрежение, но задвижването никога не преминава от режим на зареждане, вниманието може да се насочи към байпасното устройство, управляващата му схема или измерването на напрежението.

Тези разграничения са по-полезни от подмяната на части, основана единствено на обща повреда при стартиране.

Пониженото напрежение при стартиране може да е извън задвижването

Не всяка повреда поради понижено напрежение на постояннотоковата шина означава, че самото задвижване е повредено.

Входното захранване трябва да се провери, преди задвижването да бъде обявено за неизправно.

Липсваща фаза, значителен фазов дисбаланс или слаб източник могат да нарушат нормалното зареждане на постояннотоковата шина.

Дългите захранващи линии и недостатъчно оразмерената инфраструктура от страната на захранването също могат да причинят спад на напрежението по време на зареждането.

Системите, захранвани от генератор, заслужават особено внимание, тъй като импедансът на източника и преходната характеристика могат значително да се различават от тези на стабилно електроснабдяване.

Ако мрежовото напрежение спадне, докато кондензаторите се зареждат, задвижването може правилно да отчете състояние на понижено напрежение, въпреки че вътрешният му силов каскад е изправен.

Това е една от причините опитните техници по задвижванията да сравняват и трите входни междуфазови напрежения, преди да направят заключения от повреда по постояннотоковата шина.

Пренапрежението при стартиране е по-рядко, но възможно

Пренапрежението по-често се свързва с регенерация на двигателя при забавяне.

Въпреки това могат да възникнат състояния на пренапрежение при стартиране.

Високото входно мрежово напрежение е очевидна възможност.

Архитектурите със споделена постояннотокова шина добавят още една променлива, тъй като няколко инвертора или захранващи секции могат да си взаимодействат чрез общата връзка.

Регенеративните входни каскади и многоосовите системи могат да направят връзката между мрежовото напрежение и локалното напрежение на инверторната шина по-сложна.

Отстраняването на неизправности в тези системи изисква разбиране на цялата архитектура на постояннотоковата шина, вместо оценяване на едно задвижване изолирано.

Това е особено важно при по-големи системи за задвижвания и управление на движението, при които няколко оси могат да споделят захранващата инфраструктура.

Кривата на зареждане може да разкрие това, което кодът за неизправност не може

Кодовете за неизправности дават полезна насока, но поведението на шината по време на стартиране може да предостави допълнителен контекст.

Изправната система обикновено трябва да осигури плавно нарастване към проектното напрежение на шината.

Незабавното спадане насочва към различен проблем в сравнение с бавното, непълно зареждане.

Шина, която достига приблизително нормално напрежение, но никога не преминава в състояние на готовност, насочва към друга категория проблеми.

Затова техниците често мислят под формата на последователности, а не на изолирани показания на напрежението.

Задейства ли се защитата на задвижването незабавно?

Започна ли постояннотоковата шина да се зарежда?

Достигна ли очаквания диапазон?

Премина ли етапът на предварително зареждане?

Повредата възникна ли преди или след командата за работа?

Тези въпроси постепенно стесняват броя на вероятните подсистеми.

Измерете променливотоковото захранване, преди да обявите задвижването за повредено

Една от най-простите грешки при отстраняване на неизправности е да се приеме, че трифазното захранване е изправно, само защото има напрежение.

Трите измервания между фазите трябва да бъдат сравнени.

Липсваща фаза или значителен дисбаланс могат да създадат объркващи симптоми.

Входното напрежение също трябва да се вземе предвид по време на самото зареждане, когато това е практично и разрешено от процедурите на обекта.

Захранване, което изглежда приемливо при малък товар, може да се държи различно, когато кондензаторите на постояннотоковата връзка започнат да се зареждат.

За обекти, поддържащи множество платформи VFD и AC задвижвания, документирането на нормалното поведение при стартиране може значително да улесни бъдещите сравнения.

Измерванията на постояннотоковата шина изискват стриктна дисциплина при работа с високо напрежение

Постояннотоковата шина е една от най-опасните точки във вътрешността на индустриално задвижване.

Тя може да носи няколкостотин волта постоянен ток и да съхранява енергия след премахване на входното захранване.

Изключеният дисплей не е доказателство, че постояннотоковата връзка е разредена.

Трябва да се спазват времето за разреждане и инструкциите за безопасност на производителя на оригиналното оборудване.

Процедурите за блокиране и обозначаване остават задължителни, когато са приложими.

Липсата на напрежение трябва да се потвърди с подходящо оразмерено оборудване и утвърдени практики за електрическа безопасност.

Измерванията на постоянната шина под напрежение трябва да се извършват само от персонал, обучен и упълномощен за тази работа.

Техниците трябва също да помнят, че категорията на измервателния уред, номиналното напрежение, измервателните проводници и методът на измерване имат значение при такива енергийни нива.

Проверките на съпротивлението при изключено захранване дават насоки, но не и окончателни отговори

След като задвижването бъде безопасно изолирано и бъде потвърдено, че постояннотоковата шина е разредена, измерванията на съпротивлението могат да помогнат за откриване на очевидно късо съединение.

Въпреки това показанията между DC+ и DC− изискват интерпретация.

Кондензаторите могат да се зареждат от самия измервателен уред, което води до промяна на показваното съпротивление.

Вътрешните полупроводникови пътища и спомагателните вериги също могат да повлияят на показанието.

Следователно променящата се стойност на съпротивлението не е универсален тест за кондензатор с резултат само „изправен“ или „неизправен“.

Процедурите на производителя за тестване на компоненти трябва да имат приоритет, когато се изисква подробно тестване на силовата част.

Фигура 3. При отстраняване на неизправности по задвижването наблюдаваният симптом трябва да се свърже с правилната подсистема на силовата част, преди да бъдат сменяни компоненти. Изображението е предоставено с любезното съдействие на Adobe Stock.

Времето на поява на симптома често е най-бързият диагностичен филтър

Практичната стратегия за отстраняване на неизправности започва с точното определяне на момента, в който възниква отказът.

Моментно изключване при подаване на захранване прави сериозна електрическа неизправност в предния край по-вероятна.

Задвижване, което започва да се зарежда, но никога не преминава в готовност, по-силно насочва към проблеми със завършването на предварителното зареждане, измерването на шината или свързаните функции за управление.

Грешка за недостатъчно напрежение по време на зареждане трябва да насочи проверката както към входящото захранване, така и към вътрешния път за зареждане.

Задвижване, което достига нормално напрежение на шината и отказва едва след получаване на команда за пускане, принадлежи към друг клон на диагностиката.

На този етап изходът на инвертора, кабелите на двигателя, състоянието на двигателя и поведението на товара стават по-релевантни.

Този подход, основан на последователността, не позволява на проверката да прескача произволно между несвързани компоненти.

Първите секунди разкриват голяма част от историята

Постояннотоковата шина по същество е енергиен резервоар, разположен между изправителя и инвертора на задвижването.

Поведението му при стартиране е предвидимо, тъй като задвижването трябва да изпълни определена електрическа последователност, преди да започне нормалното управление на двигателя.

Входящият променлив ток се изправя.

Кондензаторната банка се зарежда по контролиран път.

Шината се доближава до работното си напрежение.

Етапът на предварително зареждане преминава към нормалния силов път.

Системата за управление потвърждава необходимите условия и позволява на задвижването да премине в готовност.

Когато стартирането е неуспешно, определянето къде е спряла тази последователност често е по-ценно от самостоятелното прочитане на финалното съобщение за грешка.

Твърдите къси съединения, непълното предварително зареждане, влошените кондензатори, проблемите с измерването на напрежението на шината и спадът на напрежението от страната на инсталацията създават различни модели.

Разбирането на тези модели превръща отстраняването на неизправности по постояннотоковата шина от произволна смяна на части в структурирана диагностика.

Следователно за техниците, работещи с промишлени ЧП и серво системи, най-информативният период може да бъде и най-краткият: първите няколко секунди след подаване на захранване.