Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Elektroda.pl
Relpol
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Nowe lepsze wyłączniki różnicowoprądowe dzięki zastosowaniu monitorów napięć

ghost666 30 Kwi 2019 14:39 2628 7
  • Detektor prądu upływu, zwany częściej wyłącznikiem bądź bezpiecznikiem różnicowoprądowym, to układ zabezpieczający obwód przed upływem prądu do masy alternatywnymi do dedykowanej ścieżki. Tego rodzaju wyłącznik rozłącza układ w momencie, gdy różnica prądu wpływającego do obwodu i wypływającego z niego przekroczy zaprogramowany próg. Odmiennie niż typowe bezpieczniki topikowe itp., tego rodzaju bezpiecznik może być zresetowany po zadziałaniu i wykorzystany ponownie. Zabezpieczenia różnicowoprądowe pełnią bardzo ważną rolę w zabezpieczeniu obwodów elektrycznych w sieci domowej; chronią one ludzi i wyposażenie w naszych domach i nie tylko.

    W poniższym artykule omówimy wymagania, jakie stawia bezpiecznik różnicowy w zakresie detekcji prądu upływu i uruchamiania zabezpieczenia, a także przyjrzymy się scalonym monitorom zasilania o ultraniskim poborze prądu, jako możliwym układom scalonym do zastosowania w tego rodzaju układach. Finalnie, omówione zostanie bardziej złożone zagadnienie - zalet zastosowania mikrokontrolerów w wyłącznikach instalacyjnych sieci średniego napięcia.

    Wykorzystywanie monitora zasilania jako detektora przekroczenia progu prądu upływu

    O prądzie upływu w instalacji sieciowej możemy mówić, gdy występuje alternatywna ścieżka spływania ładunku z fazy do ziemi. Dzieje się tak poprzez nieprawidłowe działanie urządzenia lub przez osobę nieumyślnie dotykającą linii zasilania, tworząc alternatywną ścieżkę do ziemi. Ponieważ ekspozycja na wysokie prądy upływu powodować może obrażenia ludzkiego ciała, wyłączniki różnicowoprądowe są zaprojektowane tak, aby reagować na prądy tak niskie, jak 5 mA, aż do 500 mA. Jak opisano w normie Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej TS60479-1, osoby narażone na porażenie prądem 50 mA przez 200 ms doznają skurczów mięśni w narażonych kończynach. Ekspozycja dłuższa niż 3 sekundy znacznie zwiększy prawdopodobieństwo wystąpienia migotania komór, które może być śmiertelne.

    Zabezpieczenie różnicowe wykrywa prąd upływu, wykrywając różnicę między prądem w linii aktywnej (fazowej) a prądem płynącym w żyle neutralnej. Jeśli prąd fazowy i prąd neutralny nie są zrównoważone, a różnica tych prądów - prąd upływu - przekracza określony wcześniej próg, wyłącznik wyłącza się, przerywając obwód i izolując źródło zasilania od obwodu, gdzie wystąpił upływ prądu.

    Tego rodzaju zabezpieczenia można podzielić na trzy główne części. Pierwsza to stopień wykrywania, w ramach której czujnik prądu upływu wykrywa rzeczony prąd. W drugiej części obwód wykrywający ustala czy zmierzony prąd przekracza zaprogramowany próg. Ostatnia, trzecia część, odłącza przekaźnik elektromagnetyczny, aby odizolować miejsce wycieku prądu od źródła zasilania.

    W przeszłości do wykrywania różnicy prądów wykorzystywane były ustroje elektromechaniczne. Współczesne wyłączniki różnicowoprądowe wykorzystują układy scalone, takie jak monitory napięcia, w celu poprawy dokładności detekcji, jak i przyspieszenia czasu reakcji zabezpieczenia w celu szybszego i dokładniejszego wykrywania prądu upływu i szybszego odłączania zasilania.

    Rysunek 1 pokazuje, w jaki sposób scalony monitor napięcia TPS3840 może zostać wykorzystany do wykrywania prądu upływu. W tym przykładzie czujnik, taki jak przekładnik na przykład różnicowo-prądowy lub przekładnik prądowy fazy zerowej, jest reprezentowany przez źródło prądu. W obwodzie wykrywania prądu stosowany jest rezystor do konwersji prądu wejściowego na napięcie, które jest następnie mierzone przez układ TPS3840. Układ ten integruje w sobie precyzyjne źródło napięcia odniesienia i komparator napięcia. Punkt wyzwalania tego zabezpieczenia jest dokładnie zaprogramowany na etapie produkcji układu w pamięć nieulotną jednorazowego programowania (OTP). Próg ten można skonfigurować w zakresie od 1,6 V do 4,9 V, przy zachowaniu dokładności 1% (typowo).

    Gdy napięcie na styku VDD wzrośnie powyżej zaprogramowanego progu, styk RESET podciągnięty zostanie wysoko, aby zresetować mikrokontroler lub uruchomić przekaźnik elektromagnetyczny, rozłączający obwód. Dodatkowo, czas reakcji wyjścia RESET można przedłużyć za pomocą zaledwie jednego kondensatora dołączonego do układu, co pozwolić ma zmieniać czas odpowiedzi RCD w zależności od wielkości prądu upływu.

    Nowe lepsze wyłączniki różnicowoprądowe dzięki zastosowaniu monitorów napięć
    Rys.1. Monitor zasilania, wykorzystany jako detektor prądu upływu w referencyjnym projekcie modułu zasilania z komparatorem lub sekwencjonowaniem zasilania.


    Monitor zasilania w tym projekcie referencyjnym spełnia trzy kluczowe wymagania:

    Szybkie włączanie i programowalne czasy reakcji. Gdy monitor napięcia startuje od zera do napięcia wejściowego, które jest wyższe od zaprogramowanego progu wyzwalania (napięcia progowego), jego uruchomienie i reakcja zajmuje pewien czas. Wyłączniki różnicowoprądowe muszą szybko wykrywać wystąpienie prądu upływu, ale charakteryzować się również elastycznością w konfigurowaniu czasu reakcji w oparciu o poziom prądu upływu i jego czas trwania, między innymi by uniknąć uciążliwego wyłączenia systemu spowodowanego przez przepięcia przy jednoczesnym zapewnieniu bezpieczeństwa. Przy czasie startu równym 200 µs, TPS3840 może reagować bardzo szybko.

    Bardzo niski prąd wejściowy. Na rysunku 1 pin zasilania układu nadzorującego (VDD) jest taki sam jak pin monitorowania sygnału wejściowego (SENSE). Ponieważ układ jest zasilany z sygnału wejściowego, taki monitor napięcia powinien mieć wysoką impedancję wejściową, aby zminimalizować błąd wprowadzany do wejściowego dzielnika napięcia/oporowego konwertera prąd-napięcie. Scalony monitor napięcia TPS3840 zużywa bardzo niski prąd, będący na poziomie 350 nA.

    Niski VPOR dla niskiego VOL. VPOR to minimalne napięcie wejściowe wymagane dla kontrolowania stanu wyjścia. Gdy VIN < VPOR, wyjście śledzi wejście i może np. wyzwolić przekaźnik. Napięcie VPOR powinno być tak niski, jak to tylko możliwe, aby zapewnić margines bezpieczeństwa między poziomem napięcia włączania przekaźnika i napięciem wyjściowym monitora napięcia w stanie niskim (VOL). Wersja układu TPS3840 z wyjściem w stanie niskim w stanie aktywnym posiada wyjście w topologii typu push-pull - ma zarówno niski VPOR, jak i VOL na poziomie 300 mV, aby uniknąć fałszywego resetowania układu.

    Wykorzystanie monitora zasilania, jako nadzorcy linii zasilania mikrokontrolera

    Na rysunku 2 pokazano schemat blokowy konstrukcji referencyjnej systemu zabezpieczenia zasilania. Wyłączniki te wymagają zastosowania mikrokontrolerów do przetwarzania przechwyconych danych w celu wykrycia błędów prądu przetężeniowego i uziemienia. Scalony układ monitorowania napięcia zasilania, taki jak LM8364 lub TPS3840, może monitorować szyny zasilania mikrokontrolera. TPS3840 ma szerszy zakres temperatur roboczych i niższy pobór prądu niż LM8364.

    Jeśli nadzór napięcia jest zintegrowany w mikrokontrolerze, zalecany jest zewnętrzny układ watchdoga. Zewnętrzny watchdog pomaga upewnić się, że mikrokontroler nie zatrzaskuje się, poprzez okresowe wykrywanie impulsów wysyłanych przez jeden z pinów GPIO mikrokontrolera. Jeśli błędy oprogramowania spowodują, że puls zostaną pominięte, zewnętrzny watchdog zresetuje mikrokontroler.

    Programowalny zegar sterujący wbudowany w TPS3430 jest dobrym rozwiązaniem, ponieważ oferuje programowalny czas oczekiwania watchdoga i opóźnienie resetowania, aby spełnić wymagania czasowe każdego mikrokontrolera. Jeśli wymagana jest zwiększona niezawodność, należy zastosować zarówno nadzór napięcia zasilania, jak i układ do nadzoru nad mikrokontrolerem. Zintegrowany układ nadzorujący układ i napięcie zasilania, taki jak TPS3823 jest dobrą alternatywą, oferując stałe wartości progowe i opcje czasu oczekiwania.

    Nowe lepsze wyłączniki różnicowoprądowe dzięki zastosowaniu monitorów napięć
    Rys.2. Subsystem przetwarzania sygnałów oraz samozasilanie bezpiecznika z zabezpieczanego wejścia - schemat blokowy projektu referencyjnego.


    Monitor napięcia zasilania mogą pomóc w ulepszeniu konstrukcji wyłącznika różnicowoprądowego, nie tylko monitorując napięcie zasilania mikrokontrolera w nim zastosowanego, w celu zapewnienia normalnej pracy, ale także służąc jako detektor prądu upływu.

    Źródło: https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2019/01/10/protect-your-circuit-breaker-design-with-voltage-supervisor-reset-ics

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
  • Relpol
  • #2
    Kraniec_Internetów
    Poziom 41  
    ghost666 napisał:
    częściej wyłącznikiem bądź bezpiecznikiem różnicowoprądowym

    To że jakiś "elektryk" tak to nazywa nie znaczy że jest to poprawne. Po co powielać bzdury?
    ghost666 napisał:
    Odmiennie niż typowe bezpieczniki topikowe itp., tego rodzaju bezpiecznik może być zresetowany po zadziałaniu i wykorzystany ponownie.

    Ale po co mieszać bezpieczniki topikowe z RCD?
    ghost666 napisał:
    Współczesne wyłączniki różnicowoprądowe wykorzystują układy scalone, takie jak monitory napięcia, w celu poprawy dokładności detekcji, jak i przyspieszenia czasu reakcji zabezpieczenia w celu szybszego i dokładniejszego wykrywania prądu upływu i szybszego odłączania zasilania.

    Czyżby? Raczej te współczesne opierają się o magnetyzm, a elektroniczne są wymysłem.

    Raczej średni pomysł. Współczesne RCD mimo że bywają nie do końca sprawne, to są odporne na przepięcia i inne niesprzyjające warunki. Delikatna elektronika może być zbyt delikatna by stosować ją jako zabezpieczenie. Obwód też zapewne będzie odłączały triaki lub SSR, co nie jest pewne w działaniu.
  • Relpol
  • #3
    fotomh-s
    Poziom 20  
    Wyłączniki różnicowoprądowe zwykle nie są elektroniczne, nazwijmy je elektromechanicznymi. Tak zwane przekaźniki różnicowoprądowe to nieco inna prawa kaloszy, one działają przez przekładnik (zakładany tak aby mierzyć prąd upływu czyli na 3 fazy i zero albo fazę i zero dla instalacji jednofazowych), umożliwiają takie rzeczy jak np. ustawianie prądu i zwłoki wyzwalania oraz wskazywanie procentowego prądu upływu względem ustawionego progu (czyli np. że prąd upływu to 25% ustawionego progu). Mam taki jeden szkopuł firmy Hager, niestety nie mam do niego przekładnika. Rozłączanie można zrealizować na różne sposoby (moduł ma wyjście przekaźnikowe) więc można podpiąć SSR albo zwykły przekaźnik. Mają też taką zaletę że mechanicznie nie zdychają (Legrand potrafił dosyć szybko padać jeśli często wybijał, wyrabiał się i w końcu nie dało się go załączyć, nawet na sucho).

    Kraniec_Internetów napisał:
    ghost666 napisał:
    Odmiennie niż typowe bezpieczniki topikowe itp., tego rodzaju bezpiecznik może być zresetowany po zadziałaniu i wykorzystany ponownie.

    Ale po co mieszać bezpieczniki topikowe z RCD?

    Jeśli już to można mieszać nadmiarowe i topikowe bo spełniają podobną funkcję, topik i różnicówka nie wiele mają ze sobą wspólnego.

    Są też tak zwane wyłączniki kombinowane czy jak im tam było, od kilku(nastu) lat dosyć popularne, jak różnicówka i nadmiar w jednym.
  • #4
    radiosimon
    Poziom 28  
    Z elektronicznymi jest ten problem, że wymagają konkretnego napięcia do działania. Osobnym problemem są przepisy. Załączam dość ciekawy plik firmy Siemens (normy, wyjaśnienie, porównanie itp).
  • #5
    Szyszkownik Kilkujadek
    Poziom 34  
    ghost666 napisał:
    Detektor prądu upływu, zwany częściej wyłącznikiem bądź bezpiecznikiem różnicowoprądowym, to układ zabezpieczający obwód przed upływem prądu do masy alternatywnymi do dedykowanej ścieżki.

    Z przykrością stwierdzam (bez obrazy dla autora), że zdanie wprowadzające jest zdecydowanie poniżej poziomu. W zasadzie to cały pierwszy akapit należałoby przeredagować od nowa.
  • #6
    Kraniec_Internetów
    Poziom 41  
    Szyszkownik Kilkujadek napisał:
    Z przykrością stwierdzam (bez obrazy dla autora), że zdanie wprowadzające jest zdecydowanie poniżej poziomu.

    Chyba wynika to z angielskiego nazewnictwa. Zostało to w zasadzie dosłownie przetłumaczone z angielskiego z linku na końcu posta:
    Cytat:
    A residual current detector (RCD) or residual current circuit breaker (RCCB), detects leakage currents when an alternate path to ground is established. RCDs isolate the power source from the leakage path by tripping open the circuit. Unlike fuses, these types of circuit breakers can be reset and reused. They play an important role in protecting people and equipment.

    Także jednak jest dobrze. Tylko nie po polsku :)

    A odnośnie samej zmiany wyłączników na takie "elektroniczne" - może jednak nie jest to złe? Na pewno stosowanie w takim urządzeniu półprzewodników (Triaki i SSRy) jako elementy odłączające obwód jest niebezpieczne, bo to proszenie się o kłopoty. Jak wcześniej pisałem półprzewodniki mogą ulec uszkodzeniu i przebiciu, a wtedy nic nie wyłączy obwodu prócz siekiery. Za to elektroniczny układ który pilnuje wszystkiego może być bezpieczniejszy od typowego wyłącznika. Może i będzie bardziej podatny na ewentualne przepięcia, za to niemal na pewno nie będzie tracił po czasie właściwości, nie będzie miał rozstrzału parametrów jak RCD mechaniczne, ale przede wszystkim możliwe będzie zamontowanie jakiegoś układu watchdog który zawsze będzie pilnował czy nasze zabezpieczenie przypadkiem nie umarło pozbawiając nas ochrony... Kwestia budowy. Ale wydaje mi się że można zbudować to porządnie, i może będzie to sporo tańsze niż współczesne wyłączniki co pozwoli ograniczać ilość obwodów podłączanych pod jeden RCD.

    Byle by wyprowadzili styki do SPI żeby można było przeprogramować :P Żart oczywiście.
  • #7
    Mark II
    Poziom 20  
    Z drugiej strony elektronika w zabezpieczeniach elektroenergetycznych stosowana jest od dawna. Jednak istotną różnicą jest zasilanie z obwodów o gwarantowanym napięciu. W innych rozwiązaniach stosuje się zasobniki, które zapewniją zapas energii niezbędny do zasilania układu w momencie wystąpienia zakłócenia.
    Dawno temu FAEL również oferował wyłączniki RCD zbudowane w oparciu o układ scalony.
  • #8
    fotomh-s
    Poziom 20  
    Od pewnego (dłuższego) czasu dostępne są także np. elektroniczne zabezpieczenia silnikowe, kiedyś wpadło mi takie w ręce, ale że nie miałem żadnego silnika to zrobiłem z niego programowalne zabezpieczenie nadmiarowe, po odpowiednim ustawieniu (wyłączeniu funkcji detekcji asymetrii prądu) mogło działać w instalacji 1 fazowej jako nadmiar. Były tam bodajże 4 funkcje zabezpieczeń, nadmiarowe szybkie (dla prądów rozruchowych jak się domyślam), nadmiarowe wolne (jeśli podczas normalnej pracy bierze za dużo), podprądowe (jeśli silnik bierze za mało to też oznacza że coś jest nie tak z nim) i asymetryczne (jeśli wartości prądów na uzwojeniach są różne, np przy spaleniu jednego). Zaletą były wbudowane przekładniki prądowe i opcja wyświetlania aktualnego prądu. Wyjście oczywiście przekaźnikowe o małej obciążalności, trzeba było podpiąć do jakiegoś "normalnego" przekaźnika.

    W przypadku zabezpieczeń silnikowych zaletą tych elektronicznych jest właśnie to że można zaprogramować każdy z tych parametrów (prąd oraz zwłokę osobno dla każdego). Dzięki temu można to skonfigurować nie tylko pod konkretny silnik, ale również pod konkretne warunki jego pracy. W przypadku RCD mamy tylko prąd upływu oraz zwłokę, w większości przypadków jednak sprawdza się dobrze zwykłe zabezpieczenie elektromechaniczne ze stałym prądem i stałą minimalną zwłoką wynikająca z mechanicznej konstrukcji.