Aktuální vydání

celé číslo

08

2019

MSV 2019 v Brně

celé číslo

Integrovaná ochrana proti výbuchu – měnič s bezpečnostním modulem

Je-li měnič frekvence situován v potenciálně nebezpečném prostředí výrobního provozu, musí umět víc než jen regulovat rychlost otáčení. Nedílnou součástí takového zařízení musí být i funkce související s ochranou proti explozi. Měniče v pohonu VLT AutomationDrive řady FC 302 (obr. 1) jsou vybaveny modulem termistorů MCB112 s certifikací od německého úřadu PTB, díky kterému zajišťují autonomní ochranu elektromotoru v provedení Ex d (pevný závěr).

U modernizací i nových instalací pohonů v chemických provozech jde provozovatelům o více než jen o pořizovací náklady. Pod tlakem narůstajících provozních nákladů nabývá zásadního významu logicky provázaný a rentabilní koncept výrobních zařízení. Jsou zde důležité i takové aspekty jako velikost potřebného prostoru k realizaci určité funkce, způsob snižování výkonových ztrát a omezování nákladů na konstrukci i vlastní instalaci zařízení. Jakmile padne rozhodnutí použít pohon s regulací rychlosti, stává se významným činitelem místo instalace, jakož i konstrukce motoru a měniče frekvence. Je-li motor umístěn v potenciálně nebezpečném prostředí výrobního provozu, je důležité zvolit typ s pevným závěrem a – připadá-li to v úvahu – se svorkovnicí v zajištěném provedení (Ex e). Má-li být takový motor schválen k použití v nebezpečném prostředí, musí být podle normy ČSN EN 60079 Výbušné atmosféry použity termistory PTC (pozistory) vsazené do vinutí motoru, které zajišťují teplotní ochranu. Využití těchto senzorů je povinné bez ohledu na klasifikaci prostoru s nebezpečím výbuchu. Monitorování je obvykle zajištěno prostřednictvím vypínacích ochran, které musí být zapojeny do obvodu certifikovaného pro monitorování elektromotoru umístěného v nebezpečném prostředí, k němuž jsou tyto senzory připojeny. Vypínací relé musí tvořit nedílnou součást ovládacího obvodu hlavního stykače, který odpojí napájení, kdykoliv teplota překročí dovolený rozsah. V některých případech bývá nutné dát měniči frekvence příkaz stop. Navíc je nutné zajistit možnost znovunastavení (reset) aktivovaného vypínacího relé zvenčí. Zpětnovazební signál informující řídicí systém o případném mimoprovozním stavu tohoto relé a udávající důvod tohoto stavu dává samostatný beznapěťový kontakt (obr. 2 vpravo).

Měnič frekvence může být umístěn v montážním rámu poblíž napájecího zdroje a ovládán prostřednictvím sběrnice Profibus. Proces monitorování a regulace pohonné jednotky lze rozdělit na signály přenášené sběrnicí, signál pro ovládání hlavního stykače, který je v tomto případě povinný, zpětnovazební signály z vypínacího relé s PTC a možnost znovunastavení relé.

Měnič frekvence je možné instalovat také v rozváděči. Jeho součástí je potom vstupně-výstupní modul s ochrannými obvody a pomocný napájecí zdroj pro rozhraní sběrnice Profibus, zajišťující trvalou disponibilitu této sběrnice, a to i v době odstavení pohonu.

Předkalkulace nákladů na realizaci zapojení musí vycházet z nákladů na silovou kabeláž mezi napájecím zdrojem, měničem frekvence a motorem, na kabeláž pro pomocný napájecí zdroj měniče, na kabel Profibus a na jednotlivé slaboproudé kabely vedoucí ke stykači, termistorům PTC (pro měřicí signál i zpětnou vazbu), popř. k pomocnému napájecímu zdroji pro vypínací ochranu s termistory.

Snížení nákladů na zapojení

Kromě primární funkce spočívající v regulaci rychlosti otáčení musí tvořit nedílnou součást měniče frekvence i funkce související s jeho ochranou proti explozi. Základní funkci, tedy monitorování motoru v nebezpečném prostředí, zajišťují ve vzájemné kombinaci elektronická vypínací jednotka s termistory PTC s certifikací ATEX a prostředky odpojující napájení motoru, které jsou rovněž certifikovány a se zajištěnou funkční bezpečností. Jestliže elektronická jednotka s ochrannými termistory komunikuje s měničem prostřednictvím sběrnice Profibus, citelně se snižují náklady na realizaci slaboproudé kabeláže, vlastní instalaci i konstrukci potřebných rozhraní. Díky bezpečnému odpojení motoru od napájení, jehož se dosahuje redundantně odpojením napájecího napětí na úrovni spouštěče s výkonovými tranzistory (IGBT) a zablokováním spouštěcích impulzů z měniče, odpadá potřeba hlavního stykače, případného vazebního relé a ochran obvodů ovládacího napětí, jež jinak bývají osazeny v rozváděči napájení. Jedinou komponentou, jež je v rozváděči zapotřebí, je jistič, který plní funkci odpojovače napájecího napětí a ochrany připojovacích kabelů. Z pomocného napájecího zdroje sběrnice Profibus rovněž odebírá energii spouštěcí modulární jednotka s PTC. Signály jsou vyhodnocovány a pohon regulován výhradně prostřednictvím sběrnice Profibus. Není tedy zapotřebí slaboproudá kabeláž zajišťující monitorování stavu PTC a ovládání hlavního stykače, klesají náklady na instalaci, zmenšuje se počet vstupních a výstupních modulů v řídicím systému, dokonce i množství potřebného hardwaru. Z hlediska poruchovosti se díky kompaktnímu provedení značně zmenší počet míst pravděpodobného výskytu poruchy, zůstává de facto pouze motor, zapojení senzorů PTC a měnič frekvence.

Autonomní ochrana motoru

Společnost Danfoss ve spolupráci s firmou Ziehl vyvinula pro pohon VLT AutomationDrive FC 302 modul termistorů MCB112. Tento modul má certifikaci od německého úřadu PTB. Jako takový může FC 302 v rámci instalace zajišťovat autonomní ochranu elektromotoru v pevném závěru (Ex d). Nejsou tak zapotřebí další výdaje a odpadají požadavky na prostor pro vnější vypínací ochrany s termistory a jejich napájecí zdroje. Modul je vhodný pro připojení k termistorům PTC ve vinutí motoru a k monitorování jejich stavu v souladu s normami DIN 44081 a DIN 44082. Obvod senzorů je rovněž monitorován na případné zkraty či přerušení obvodu. S využitím funkce bezpečného odpojení momentu STO (Safe Torque Off), jež je součástí řady měničů FC 302 a která splňuje požadavky normy ČSN EN 61800-5-2 Systémy elektrických výkonových pohonů s nastavitelnou rychlostí – Část 5-2: Bezpečnostní požadavky – Funkční pro úroveň funkční bezpečnosti SIL 2, není pro odpojování střídavého napájení ze sítě zapotřebí stykač. Na displeji měniče se při vypnutí motoru funkcí ochrany objeví příslušné hlášení. Modul může být i nadále využíván vnějšími monitorovacími komponentami. V měniči FC 302 je použita diagnostika umožňující stanovit příčinu závady, což zkracuje dobu potřebnou na opravy.

Vnější stejnosměrný zdroj 24 V může být použit k napájení integrované vypínací ochrany s termistory PTC, a to přímo v měniči. Tím odpadají náklady na další zapojení.

Jan Janeček, Danfoss s. r. o.

Obr. 1. Měnič frekvence VLT AutomationDrive FC 302

Obr. 2. Schéma zapojení termistorové ochrany s modulem MCB112 a postaru