Hoe aandrijvingen reageren op spanningsdips: een praktische gids voor spanningsonderbrekingen

Openbare elektriciteitsvoorzieningen zijn doorgaans betrouwbaar, maar ze lijden wel onder verstoringen. Natuurlijk resulteert een totale verlies van de voorziening in het stoppen van alle elektrische apparatuur, tenzij er een back-upvoorziening zoals een UPS en/of noodgenerator is aangesloten. Wanneer de stroom terugkeert, start de apparatuur opnieuw vanaf de uit-stand, op de manier waarop het was ontworpen om te starten. Er is echter een klasse verstoringen die de vorm aannemen van korte onderbrekingen of spanningsdips, waar het gedrag niet zo voor de hand ligt.

Korte spanningsdips zijn niet ongebruikelijk. Ze kunnen worden veroorzaakt door lijnstoringen getriggerd door bliksem of vallende objecten zoals bomen. Wanneer een storing optreedt in het openbare energienetwerk, propageert een spanningsdip vanaf het storingpunt door het hele systeem. De beveiliging van de energiemaatschappij schakelt het defecte circuit uit op een tijdschaal van ongeveer 200 ms, waarna de stroom voor de meeste verbruikers herstelt, soms na verschillende pogingen door automatisch herinschakelende stroomonderbrekers. Tijdens deze tijd ervaren stroomverbruikers spanningsdips van verschillende diepten, afhankelijk van hun elektrische afstand tot de storing. In zware industrie ontstaan spanningsdips ook bij het direct op het net starten van grote motoren.

Het is belangrijk dat elektrische apparatuur correct gedraagt tijdens en na een dip of onderbreking, een kwestie die gemakkelijk wordt over het hoofd gezien. Het moet een korte of ondiepe dip doorrijden ("ride-through"). Als dit niet mogelijk is, hangt het correcte gedrag af van de toepassing. In sommige toepassingen moet de apparatuur stoppen en wachten op herstart, hetzij handmatig om een gevaar door onverwacht opstarten te vermijden, hetzij automatisch maar onder coördinerende controle voor meerdere motoren. Andere toepassingen hebben nodig dat de apparatuur automatisch herstart wanneer de stroom terugkeert, op een gecontroleerde manier. Het niet correct herstarten kan verloren productie in productieplaatsen veroorzaken, noodsituaties zoals vastzittende mensen in liften, airconditioning-systemen die uitschakelen, en allerlei elektronische apparaten die een dure servicebezoekt nodig hebben om ze te resetten.

Dips en onderbrekingen

De kortste dips en onderbrekingen zijn typisch ongeveer 10 ms, of een halve netgolflengte, in duur. Alles wat meer dan ongeveer 10 s duurt, zou als een stroomuitval worden beschouwd. Het duurbereik waar we nauwkeurig naar het gedrag moeten kijken, ligt voornamelijk tussen 10 ms en ongeveer 500 ms. In dit bereik kunnen ontwerpfouten resulteren in incorrect gedrag zoals processors die vastlopen of crashen, of data die corrupt raakt.

In een driefasensysteem beïnvloeden storingen vaak maar één fase, aangezien bliksem en vallende objecten vaak maar één fase raken. De storing kan zich echter naar alle drie de fasen uitbreiden. Een enkele fase-aardfout in het hoogspannings-transmissiesysteem verschijnt als een fase-fase-storing in het laagspannings-distributiesysteem, na de delta-ster-transformators. Dips door motorstarten beïnvloeden alle drie de fasen.

Energieopslag en doorrijden

In een typisch netgevoed elektronisch circuit zit een redelijk grote condensator in de interne DC-voedingslijn om de gerechtificeerde spanning te gladstrijken, en die slaat meestal voldoende energie op om het circuit gedurende ongeveer 10 ms tot 20 ms draaiende te houden. Voor kortere dips of onderbrekingen blijft het normaal werken, en er kan een stroommonitorcircuit 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, waaruit het kan herstarten zodra de stroomvoorziening terugkeert. Als doorrijden tot ongeveer 100 ms vereist is, kan dit worden bereikt door extra capaciteit toe te voegen, waarna een soort batterij of UPS nodig zou zijn.

In een typische variabele-snelheidsaandrijving slaan de condensators vanwege het hoge doorgegeven vermogen niet voldoende energie op om de nominale belastingstroom zelfs voor 10 ms te leveren. Er is geen realistische mogelijkheid om de dip op een eenvoudige manier door te rijden door gebruik te maken van de opgeslagen condensatorenergie, tenzij de belastingstroom op dat moment toevallig erg laag is. In sommige speciale toepassingen zijn additionele externe condensators, supercondensators of batterijen aan de DC-bus gekoppeld om doorrijden te garanderen, maar dit is meestal te duur.

Aan de andere kant kan er nuttige energie mechanisch opgeslagen zitten in de motorinertie. Afhankelijk van de toepassing, kan het mogelijk zijn om een deel van deze energie te gebruiken om de aandrijving in een haalbare toestand te houden, klaar voor wanneer de stroom terugkeert.

Doorrijden voor aandrijvingen

Figuur 1 toont de belangrijkste stroomcomponenten van een AC-aandrijving. De drossels zijn optioneel en hebben weinig invloed op doorrijden.

Figuur 1: Hoofdvermogenscomponenten van een AC VSD

De gelijkrichter is enkelrichtings, stroom kan alleen van de AC-voorziening naar de DC-bus vloeien. De inverter en motor zijn tweerichtings, zodat het mogelijk is dat energie van de motor naar de aandrijving DC-bus terugkeert, mits er ook voldoende energie is om de gemagnetiseerd te houden.

De aandrijvingscontroller heeft een meting van de DC-busspanning, zodat hij een daling in spanning kan detecteren. Een korte onderbreking van de AC-voorziening heeft hetzelfde effect als een dip, aangezien de DC-spanning daalt naarmate de condensator ontlaadt. Er zijn verschillende mogelijke situaties, en het gedetailleerde gedrag hangt af van de motordrijfmodus die wordt gebruikt. Laten we een eenvoudige open-lusbesturing met basis vaste V/f-verhouding overwegen.

In elk geval waarin de spanning herstelt voordat het voorzieningsverliesdetectieniveau bereikt is, gaat het normale draaien gewoon door. Er is een korte piek van invoerstroom als de condensator herlaadt zonder het voordeel van het zacht-laadcircuit. De aandrijving is ontworpen om deze piek schadeloos te weerstaan, maar het is bekend dat stroomonderbrekers in deze situatie kunnen afschakelen, vooral waar meerdere aandrijvingen van dezelfde breker gevoed worden.

Voorzieningsverliesroutine:

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

1. Geen actie (voorzieningsverliesfunctie uitgeschakeld)
2. Afremmen tot stilstand
3. Doorrijden

Bij optie 1 loopt de motor uit tot stilstand. De aandrijving voert geen actie uit wanneer de spanning onder het voorzieningsverliesdetectieniveau daalt. Als de spanning verder daalt tot onder het ondervoltagedetectieniveau, wordt de aandrijving uitgeschakeld en loopt de motor uit tot stilstand. Als de stroom terugkeert, voert de aandrijving een automatische herstart uit als de enable- en run-commando's naar de aandrijving nog steeds aanwezig zijn.

Optie 2 zou normaal worden geselecteerd waar de toepassing meerdere gecoördineerde bewegingen vereist en het belangrijk is dat de aandrijving geen onafhankelijke acties onderneemt. De motor wordt afgeremd tot stilstand wanneer de spanning onder het voorzieningsverliesdetectieniveau daalt. Als de stroom terugkeert terwijl de aandrijving de motor afremt, blijft de aandrijving de motor afremmen tot stilstand, anders gaat de aandrijving in de ondervoltage-toestand en schakelt uit.

Er is een verschil in gedetailleerd gedrag tussen sommige Control Techniques producten zodra de aandrijving stilstand bereikt heeft als de voorziening is teruggekeerd:

• Voor Unidrive M700 en gerelateerde producten: Zodra de motor stilstand heeft bereikt, gaat de aandrijving in de uitgeschakelde toestand en vereist het het enable-signaal om te toggelen voordat hij weer kan draaien.
• Voor Unidrive M100 tot M400 en gerelateerde producten: Zodra de motor stilstand heeft bereikt, en zolang de enable- en run-commando's nog steeds aanwezig zijn, herstart de aandrijving en remt de motorsnelheid weer op naar de snelheidsreferentie.

Optie 3 zou normaal worden geselecteerd waar de toepassing vereist dat de aandrijving zo veel mogelijk in onafhankelijke operatie blijft. De aandrijving verlaagt de motorsnelheidsinstelling op een gecontroleerde manier, zodat de motorflux gehandhaafd wordt en mechanisch opgeslagen energie in de motor en belasting naar de aandrijving terugkeert naarmate de snelheid daalt. De energie wordt gebruikt om de motor magnetiseringsstroom te handhaven en om stroom te leveren aan het besturingscircuit van de aandrijving. Als de stroom terugkeert voordat de energie op is, versnelt de aandrijving de motor weer terug naar de ingestelde snelheid.

De kans op succesvol doorrijden hangt duidelijk af van de mechanische belasting op dat moment en de specifieke inertie van de motor en zijn belasting.

Let op dat als de spanningsdip slechts in één fase van een driefasenvoorziening optreedt, de herwonnen energie alleen de "gaten" hoeft te vullen voor de gelijkrichter tijdens de ontbrekende fase-spanningsintervallen, wat veel minder energie vereist dan voor een driefasendip en het meest waarschijnlijk resulteert in succesvol doorrijden.

Limiet aan aantal auto-reset pogingen

Dit kan worden ingesteld op een gewenst aantal of oneindig.

Draaiende motor herstart:

In al deze opties, als automatische herstart is geselecteerd, moet overwogen worden of de "vang een draaiende motor" routine vereist is. Waar de aandrijving controle over de motor heeft gehandhaafd, d.w.z. in een afrem- of doorrijdtoestand, is dit niet nodig. Echter, zodra de ondervoltage-afschakeling is opgetreden, wordt de motor niet meer gecontroleerd. Hij kan door zijn inertie en/of externe factoren zoals luchtstroom in een ventilator blijven draaien. In dat geval kan de herstart mislukten tenzij het draaiende-motor-algoritme is ingeschakeld.

Standaarden en eisen voor spanningsdips, onderbrekingen en doorrijden

Er zijn internationale en EU-geharmoniseerde standaarden voor immuniteit van elektrische producten tegen spanningsdips en onderbrekingen. In de EU wordt dit wettelijk gedekt door de EMC-richtlijn. In de rest van de wereld wordt het doorgaans beschouwd als een kwestie van productkwaliteit in plaats van EMC-wet. Voor apparatuur tot 16 A per fase is de teststandaard IEC 61000-4-11 (EN 61000-4-11 in de EU), maar deze standaard geeft een breed bereik aan optionele testniveaus en geen geslaagd/gefaald criteria. De productstandaard moet worden geraadpleegd om de exacte eisen te vinden. Een typische eis kan worden afgeleid van de generieke immuniteitsstandaard voor industriële apparatuur, IEC 61000-6-2:

De apparatuur moet tijdens de dip en daarna functioneren zoals gespecificeerd, en er mag geen verlies of corruptie van opgeslagen data optreden. Let op dat dit niet letterlijk doorrijden vereist, in de zin van doorgaan met leveren van nominale uitgangsvermogen, maar alleen functioneren zoals bedoeld. Het doel van de test is om fouten of bugs te vinden zoals vastgelopen toestanden of gecorrupte opgeslagen data na de dip/onderbreking. Als de test wordt toegepast op een machine die aandrijvingen omvat, dan moeten de aandrijvingen correct geconfigureerd zijn om ervoor te zorgen dat de complete machine gedraagt zoals bedoeld tijdens en na de dips.

Voor apparatuur met een belasting boven 16 A per fase is er een andere teststandaard IEC 61000-4-34. Deze standaard wordt weinig gebruikt, vanwege de moeilijkheid en kosten van de testapparatuur. Het gedrag van een hoogvermogen aandrijving kan betrouwbaar worden voorspeld door simulatie en door schaling vanaf een lager vermogen model.

Een andere standaard voor stroomverstoringen komt 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 doorrijdende operatie voor onderbrekingen tot 20 ms. Het geldt alleen voor eensfasige voorzieningen en past zich niet gemakkelijk toe op drie fasen.

Uit de vorige discussie kunt u zien dat een aandrijving dit in doorrijdmodus kan bereiken, mits voldoende opgeslagen energie kan worden herwonnen door de belasting te vertragen, met name met een driefasenvoorziening.

Figuur 2: De ITIC (voorheen CBEMA) curve