Stroomstoring:wat doet een schijf als de stroom uitvalt?

De openbare elektriciteitsvoorziening is over het algemeen betrouwbaar, maar heeft wel last van storingen. Het is duidelijk dat een totaal verlies van voeding ertoe leidt dat alle elektrische apparatuur stopt, tenzij er een back-upvoeding op is aangesloten, zoals een UPS en/of back-upgenerator. Wanneer de stroom terugkeert, start de apparatuur opnieuw op vanuit de uit-stand op de manier waarop deze is ontworpen. Er is echter een klasse van storingen die de vorm aanneemt van korte onderbrekingen of spanningsdips waarbij het gedrag niet zo duidelijk is.

Korte spanningsdips zijn niet ongewoon. Ze kunnen worden veroorzaakt door lijnfouten die worden veroorzaakt door bliksem of vallende voorwerpen zoals bomen enz. Wanneer er een fout optreedt in het openbare stroomsysteem, plant een spanningsdip zich voort vanaf het foutpunt rond het hele systeem. De beveiligingsapparatuur van het energiebedrijf schakelt het defecte circuit uit op een tijdschaal in de regio van 200 ms, waarna de stroom voor de meeste consumenten wordt hersteld, soms na verschillende pogingen door automatische herinschakeling van stroomonderbrekers. Gedurende deze tijd ervaren stroomverbruikers echter spanningsdips van verschillende diepten, afhankelijk van hun elektrische afstand tot de storing. In de zware industrie treden ook spanningsdips op wanneer grote motoren direct online worden gestart.

Het is belangrijk dat elektrische apparatuur zich correct gedraagt ​​tijdens en na een dip of onderbreking, een zaak die gemakkelijk over het hoofd wordt gezien. Het moet door een korte of ondiepe duik rijden. Als dit niet mogelijk is, hangt het juiste gedrag af van de toepassing. in sommige toepassingen moet de apparatuur stoppen en wachten om opnieuw te worden gestart, hetzij handmatig, om gevaar door onverwacht starten te voorkomen, hetzij automatisch maar onder coördinerende controle voor meerdere motoren. Bij andere toepassingen moet de apparatuur automatisch opnieuw opstarten wanneer de stroom terugkeert, op een gecontroleerde manier. Als u niet correct opnieuw opstart, kan dit leiden tot productieverlies in de fabriek, noodsituaties zoals mensen die vastzitten in liften, uitvallen van airconditioningsystemen en allerlei elektronische apparaten die een duur servicebezoek nodig hebben om ze te resetten.

Dips en onderbrekingen

De kortste dips en onderbrekingen duren meestal ongeveer 10 ms, of een halve cyclus van de netvoeding. Alles boven ongeveer 10 s wordt beschouwd als een vermogensverlies. Het bereik van tijdsduren waar we goed naar gedrag moeten kijken, is voornamelijk van 10 ms tot ongeveer 500 ms. In dit bereik kunnen ontwerpfouten resulteren in onjuist gedrag, zoals processors die vastlopen of crashen, of gegevens die beschadigd raken.

In een driefasensysteem hebben storingen vaak slechts invloed op één fase, aangezien bliksem en vallende voorwerpen vaak maar één fase beïnvloeden. De fout kan zich echter uitbreiden naar alle drie. Een enkele fase-naar-aarde-fout in het hoogspanningstransmissiesysteem verschijnt als een lijn-naar-lijn fout in het laagspanningsdistributiesysteem, na de delta-star-transformatoren. Dips bij het starten van de motor zijn van invloed op alle drie de fasen.

Energieopslag en ride-through

In een typisch elektronisch circuit met netvoeding is er een vrij grote condensator aangesloten in de interne DC-voedingslijn om de gelijkgerichte spanning af te vlakken, en het slaat meestal voldoende energie op om het circuit ongeveer 10 ms tot 20 ms te laten werken. Voor kortere dips of onderbrekingen blijft het normaal werken en kan er een stroombewakingscircuit zijn dat een lage spanning detecteert. Er is dan tijd om een ​​korte routine uit te voeren om enkele essentiële gegevens in het niet-vluchtige geheugen op te slaan en het systeem in een bekende toestand te brengen, van waaruit het kan herstarten zodra de stroomtoevoer terugkeert. Als een rit tot ongeveer 100 ms nodig is, kan dit worden bereikt door extra capaciteit toe te voegen, waarboven een soort batterij of UPS nodig zou zijn.

In een typische frequentieregelaar slaan de condensatoren vanwege de hoge vermogensdoorvoer niet genoeg energie op om het nominale belastingsvermogen te leveren, zelfs niet gedurende 10 ms. Er is geen realistische mogelijkheid om op een eenvoudige manier door de dip te rijden met behulp van de in de condensator opgeslagen energie, tenzij het belastingsvermogen op dat moment erg laag is. In sommige speciale toepassingen zijn er extra externe condensatoren, supercondensatoren of batterijen aangesloten op de DC-bus om doorverbinding te garanderen, maar dit is meestal te duur.

Aan de andere kant kan er enige bruikbare energie mechanisch worden opgeslagen in de motortraagheid. Afhankelijk van de toepassing kan het mogelijk zijn om een ​​deel van deze energie te gebruiken om de schijf in een levensvatbare staat te houden, klaar voor wanneer de stroom terugkeert.

Ride-through voor schijven

Afbeelding 1 toont de belangrijkste vermogenscomponenten van een frequentieregelaar. De chokes zijn optioneel en hebben weinig effect op de ridethrough.

Afbeelding 1:Hoofdstroomcomponenten van een AC VSD

De gelijkrichter is unidirectioneel, stroom kan alleen van de AC-voeding naar de DC-bus gaan. De omvormer en motor zijn bidirectioneel, dus het is mogelijk dat energie van de motor terugkeert naar de DC-bus van de omvormer, op voorwaarde dat er ook voldoende energie is om de motor gemagnetiseerd te houden.

De aandrijfcontroller heeft een meting van de DC-busspanning, zodat hij een spanningsdaling kan detecteren. Een korte onderbreking van de AC-voeding heeft hetzelfde effect als een dip, aangezien de DC-spanning daalt als de condensator ontlaadt. Er zijn verschillende situaties mogelijk en het gedetailleerde gedrag hangt af van de gebruikte motorbesturingsmodus. Laten we eens kijken naar een eenvoudige open-lusregeling met een basis vaste V/f-verhouding.

In elk geval waar de spanning zich herstelt voordat het detectieniveau voor voedingsverlies is bereikt, gaat de normale werking verder. Er is een korte piek van de ingangsstroom als de condensator opnieuw wordt opgeladen zonder het voordeel van het zachte laadcircuit. De omvormer is ontworpen om deze stroomstoot zonder schade te weerstaan, maar het is bekend dat stroomonderbrekers in deze situatie werken, vooral wanneer een aantal aandrijvingen door dezelfde stroomonderbreker worden gevoed.

Voorraadverliesroutine:

Er is een door de gebruiker te selecteren modusparameter die de keuze geeft uit drie acties, die kunnen worden gekozen om aan de behoeften van de toepassing te voldoen:

1. Geen actie (voedingsverliesfunctie uitgeschakeld)
2. Oprit om te stoppen
3. Rij door

In optie 1 de motor loopt uit tot stilstand. De omvormer voert geen actie uit wanneer de spanning onder het detectieniveau van voedingsverlies daalt. Als de spanning blijft dalen tot onder het onderspanningsdetectieniveau, wordt de omvormer uitgeschakeld en komt de motor tot stilstand. Als de stroomtoevoer terugkeert, voert de drive een automatische herstart uit als de activerings- en run-commando's naar de drive nog steeds aanwezig zijn.

Optie 2 wordt normaal gesproken geselecteerd wanneer de toepassing meerdere gecoördineerde bewegingen vereist en het belangrijk is dat de omvormer geen onafhankelijke acties probeert te ondernemen. De motor wordt geleidelijk tot stilstand gebracht wanneer de spanning onder het detectieniveau van voedingsverlies daalt. Als de stroom terugkeert terwijl de omvormer de motor decelereert, blijft de omvormer de motor tot stilstand brengen, anders komt de omvormer in de onderspanningstoestand en wordt uitgeschakeld.

Er is een verschil in gedetailleerd gedrag tussen sommige producten van Control Techniques zodra de omvormer stopt als de toevoer is teruggekeerd:

• Voor Unidrive M700 en aanverwante producten:zodra de motor tot stilstand is gekomen, gaat de omvormer naar de uitgeschakelde toestand en moet het activeringssignaal worden omgeschakeld voordat deze weer kan draaien.
• Voor Unidrive M100 tot M400 en gerelateerde producten:zodra de motor tot stilstand is gekomen, en zolang de activerings- en run-commando's aanwezig zijn, start de omvormer opnieuw op en laat de motorsnelheid teruglopen tot de snelheidsreferentie.

Optie 3 zou normaal gesproken worden geselecteerd wanneer de toepassing vereist dat de omvormer zo veel mogelijk zelfstandig blijft werken. De omvormer verlaagt de instelling van het motortoerental op een gecontroleerde manier, zodat de motorflux behouden blijft en mechanisch opgeslagen energie in de motor en belasting wordt teruggevoerd naar de omvormer als het toerental daalt. De energie wordt gebruikt om de magnetiseringsstroom van de motor in stand te houden en om het stuurcircuit van de omvormer van stroom te voorzien. Als het vermogen terugkeert voordat de energie is uitgeput, versnelt de omvormer de motor terug naar de ingestelde snelheid.

De kans op een succesvolle rit is duidelijk afhankelijk van de mechanische belasting op dat moment en de specifieke traagheid van de motor en zijn belasting.

Merk op dat als de spanningsdip zich in slechts één fase van een driefasige voeding voordoet, de teruggewonnen energie alleen maar de gaten hoeft te vullen voor de gelijkrichter tijdens de ontbrekende fasespanningsintervallen, wat veel minder energie vereist dan voor een driefasige dip en zal hoogstwaarschijnlijk resulteren in een succesvolle rit.

Beperken tot aantal pogingen tot automatische reset

Dit kan worden ingesteld op een gewenst aantal of onbeperkt.

Spinmotor herstarten:

Als bij al deze opties automatisch herstarten is geselecteerd, moet worden overwogen of de routine "vang een draaiende motor" vereist is. Als de omvormer de motor onder controle heeft gehouden, d.w.z. in een ramp- of ride-through-status, is dit niet nodig. Zodra de onderspanningsuitschakeling echter heeft plaatsgevonden, wordt de motor niet langer bestuurd. Het kan blijven draaien als gevolg van zijn traagheid en/of externe factoren zoals de luchtstroom in een ventilator. In dat geval kan de herstart mislukken, tenzij het algoritme voor de draaiende motor is ingeschakeld.

Normen en vereisten voor stroomonderbrekingen, onderbrekingen en ridethrough

Er zijn internationale en EU-geharmoniseerde normen voor de immuniteit van elektrische producten tegen stroomonderbrekingen en stroomonderbrekingen. In de EU valt dit wettelijk onder de EMC-richtlijn. In de rest van de wereld wordt het over het algemeen beschouwd als een kwestie van productkwaliteit in plaats van EMC-wetgeving. Voor apparatuur met een vermogen van minder dan 16 A per fase is de testnorm IEC 61000-4-11 (EN 61000-4-11 in de EU), maar deze norm geeft een breed scala aan optionele testniveaus en geen voldoende/niet-criteria. De productnorm moet worden geraadpleegd om de precieze vereisten te vinden. Een typische vereiste kan worden ontleend aan de generieke immuniteitsnorm voor industriële apparatuur, IEC 61000-6-2:

De apparatuur moet tijdens de dip en daarna werken zoals gespecificeerd, en er mag geen verlies of beschadiging van opgeslagen gegevens optreden. Houd er rekening mee dat dit geen letterlijke doorloop vereist, in de zin van het blijven leveren van nominaal uitgangsvermogen, maar alleen werking zoals bedoeld. Het doel van de test is om fouten of bugs te vinden, zoals vastgelopen toestanden of beschadigde opgeslagen gegevens na de dip/onderbreking. Als de test wordt toegepast op een machine die aandrijvingen bevat, moeten de aandrijvingen correct worden geconfigureerd om ervoor te zorgen dat de volledige machine zich tijdens en na de dips gedraagt ​​zoals bedoeld.

Voor apparatuur met een vermogen van meer dan 16 A per fase is er een andere testnorm IEC 61000-4-34. Deze norm wordt weinig gebruikt vanwege de moeilijkheidsgraad en de kosten van de testapparatuur. Het gedrag van een aandrijving met een hoog vermogen kan betrouwbaar worden voorspeld door simulatie en door te schalen vanuit een model met een lager vermogen.

Een andere norm voor stroomstoringen is afkomstig van de Information Technology Industry Council (ITIC) in de VS en wordt soms gespecificeerd voor IT-apparatuur. Het definieert geen testmethode, maar alleen een klemspanningsgedrag. De ITIC-curve (voorheen CBEMA-curve) toont de continue werking voor onderbrekingen tot 20 ms. Het is alleen van toepassing op enkelfasige voedingen en past zich niet gemakkelijk aan aan drie fasen.

Uit de vorige discussie kunt u zien dat een omvormer dit mogelijk kan bereiken in de ridethrough-modus, op voorwaarde dat er voldoende opgeslagen energie kan worden teruggewonnen door de belasting te vertragen, vooral bij een driefasige voeding.

Figuur 2:De ITIC (voorheen CBEMA) curve