Реакция приводов на провалы напряжения: практическое руководство по прерываниям питания

Общественные сети электроснабжения обычно надежны, но подвержены возмущениям. Полная потеря питания очевидно останавливает всё электрическое оборудование, если нет резервного источника (ИБП или дизель-генератор). При восстановлении питания оборудование перезапускается в штатном режиме. Однако существует класс возмущений — кратковременные перебои или провалы напряжения — поведение при которых неочевидно.

Кратковременные провалы напряжения не редки. Их причины: линейные повреждения от молний или падающих объектов (деревья и т.д.). При любом неисправности в энергосистеме провал напряжения распространяется от точки отказа по всей системе. Защита электросети отключает неисправный участок за ~200 мс, после чего питание восстанавливается для большинства потребителей, иногда после нескольких попыток повторного включения автоматическими выключателями. В это время потребители испытывают провалы разной глубины в зависимости от их электрического расстояния до места отказа. В тяжелой промышленности провалы также возникают при прямом пуске крупных двигателей.

Важно, чтобы электрооборудование вело себя правильно во время и после провала или перебоя — этот аспект легко упускается. Оно должно пережить краткий или неглубокий провал. Если это невозможно, правильное поведение зависит от приложения: в некоторых случаях оборудование должно остановиться и ждать перезапуска (вручную — чтобы избежать опасности неожиданного пуска, или автоматически — под координирующим контролем для нескольких двигателей). Другие приложения требуют автоматического перезапуска при возврате питания в управляемом режиме. Некорректный перезапуск ведет к простою производства, застреванию людей в лифтах, отключению кондиционеров и необходимости дорогостоящего сервисного визита для сброса электронных устройств.

Провалы и перебои

Самые короткие провалы и перебои длятся около 10 мс (полупериод сети). Все, что превышает ~10 с, считается потерей питания. Диапазон длительностей, требующий детального анализа поведения — от 10 мс до ~500 мс. В этом диапазоне ошибки проектирования приводят к неправильному поведению: зависанию или аварийному завершению работы процессоров, порче данных.

В трехфазной системе неисправности часто затрагивают только одну фазу, так как молнии и падающие объекты обычно задевают одну фазу. Однако неисправность может распространиться на все три. Однофазное замыкание на землю в сети высокого напряжения после дельта-звездных трансформаторов выглядит как межфазное замыкание в сети низкого напряжения. Провалы от пуска двигателей затрагивают все три фазы.

Накопление энергии и проезд через провал (ride-through)

В типичной сетевой электронной схеме довольно большой конденсатор во внутренней цепи постоянного тока сглаживает выпрямленное напряжение и обычно накапливает достаточно энергии для работы схемы ~10–20 мс. Для более коротких провалов она продолжает работать нормально, и может быть цепь мониторинга питания, фиксирующая снижение напряжения. Есть время на выполнение короткой процедуры сохранения критических данных в энергонезависимой памяти и перевода системы в известное состояние, из которого можно перезапуститься при возврате питания. Если требуется ride-through до ~100 мс, этого можно добиться добавлением дополнительной емкости, сверх чего потребуются батареи или ИБП.

В типичном ВЧП из-за высокой пропускной способности конденсаторы не накапливают достаточно энергии для питания номинальной нагрузки даже 10 мс. Нет реалистичной возможности пережить провал за счет энергии конденсаторов, если только мощность нагрузки в этот момент не очень мала. В некоторых специальных приложениях к шине постоянного тока подключали дополнительные внешние конденсаторы, суперконденсаторы или батареи для обеспечения ride-through, но это обычно слишком дорого.

С другой стороны, в инерции ротора двигателя может быть запасенная механическая энергия. В зависимости от приложения, возможно использовать часть этой энергии для удержания привода в работоспособном состоянии до возврата питания.

Ride-through для приводов

Рис. 1 показывает основные силовые компоненты ВЧП. Дроссели опциональны и мало влияют на ride-through.

Рисунок 1: Основные силовые компоненты ВЧП переменного тока

Выпрямитель однонаправленный — мощность может течь только от сети на шину постоянного тока. Инвертор и двигатель двунаправленные, поэтому энергия может возвращаться от двигателя на шину постоянного тока привода, если есть достаточно энергии для поддержания намагничивания двигателя.

Контроллер привода измеряет напряжение на шине постоянного тока, поэтому может обнаружить его падение. Кратковременное прерывание питания имеет тот же эффект, что и провал — напряжение постоянного тока падает при разряде конденсатора. Существует несколько возможных ситуаций, детальное поведение зависит от режима управления двигателем. Рассмотрим простой режим открытого контура с фиксированным соотношением V/f.

В любом случае, если напряжение восстанавливается до достижения порога обнаружения потери питания, нормальная работа продолжается. Происходит кратковременный скачок входного тока при перезарядке конденсатора без участия цепи предварительной зарядки. Привод рассчитан выдерживать этот скачок без повреждений, но известны случаи срабатывания автоматических выключателей, особенно когда несколько приводов питаются от одного автомата.

Процедура при потере питания (Supply loss routine):

Есть пользовательский параметр режима с выбором трех действий, подбираемых под нужды приложения:

1. Нет действий (функция потери питания отключена)
2. Разгон на останов (Ramp to stop)
3. Проезд через провал (Ride through)

Вариант 1: двигатель выбегает по инерции. Привод не предпринимает действий при падении напряжения ниже порога обнаружения потери питания. Если напряжение продолжает падать ниже порога недо Напряжения, привод отключается и двигатель выбегает до остановки. При возврате питания привод выполняет автоматический перезапуск, если сигналы разрешения и пуска все еще присутствуют.

Вариант 2 обычно выбирается там, где приложение требует нескольких координированных движений и важно, чтобы привод не предпринимал самостоятельных действий. Двигатель разгоняется на остановку при падении напряжения ниже порога. Если питание возвращается во время разгона, привод продолжает разгон до остановки, иначе переходит в состояние недо Напряжения и отключается.

Есть отличие в детальном поведении между некоторыми продуктами Control Techniques после остановки при восстановленном питании:

• Для Unidrive M700 и смежных: после остановки двигателя привод переходит в состояние отключения и требует переключения сигнала разрешения (enable) перед повторным пуском.
• Для Unidrive M100–M400 и смежных: после остановки двигателя, пока присутствуют сигналы разрешения и пуска, привод перезапускается и разгоняет двигатель обратно к заданной скорости.

Вариант 3 обычно выбирается там, где приложение требует, чтобы привод продолжал автономную работу максимально возможно. Привод снижает заданную скорость двигателя контролируемым образом так, чтобы сохранялся магнитный поток и механическая энергия, запасенная в инерции двигателя и нагрузки, возвращалась на привод при снижении скорости. Энергия используется для поддержания тока намагничивания двигателя и питания цепей управления приводом. Если питание возвращается до истощения энергии, привод разгоняет двигатель обратно к заданной скорости.

Шанс успешного ride-through явно зависит от механической нагрузки в данный момент и удельной инерции двигателя с нагрузкой.

Обратите внимание: если провал напряжения происходит только в одной фазе трехфазного питания, возвращаемая энергия должна лишь «заполнить пробелы» для выпрямителя в интервалы отсутствия фазного напряжения, что требует гораздо меньше энергии, чем при трехфазном провале, и наиболее вероятно приведет к успешному ride-through.

Ограничение числа попыток автосброса

Можно задать желаемое число или неограниченное.

Перезапуск вращающегося двигателя (Spinning motor restart):

Во всех этих вариантах, если выбран автоматический перезапуск, нужно учитывать, требуется ли процедура «поймать вращающийся двигатель». Если привод сохранил контроль над двигателем (в режиме разгона или ride-through), это не нужно. Однако после срабатывания защиты по недо Напряжению двигатель больше не контролируется. Он может продолжать вращаться по инерции и/или внешним факторам (поток воздуха в вентиляторе). В этом случае перезапуск может не удаться, если не включен алгоритм запуска вращающегося двигателя.

Стандарты и требования к провалам, перебоям и ride-through

Существуют международные и европейские гармонизированные стандарты иммунности электротехнических изделий к провалам и перебоям питания. В ЕС это охватывается Директивой ЭМС. В остальном мире это считается вопросом качества изделия, а не законодательства ЭМС. Для оборудования с током до 16 А на фазу стандарт испытаний — IEC 61000-4-11 (EN 61000-4-11 в ЕС), но он дает широкий диапазон опциональных уровней испытаний и не устанавливает критериев прохождения/непрохождения. Точные требования нужно искать в продуктовом стандарте. Типичное требование можно взять из общей нормы иммунности для промышленного оборудования IEC 61000-6-2:

Оборудование должно работать как задано во время провала и после него, и не должно происходить потеря или порча сохраненных данных. Обратите внимание: это не требует буквального ride-through в смысле продолжения выдачи номинальной выходной мощности, а только работы по назначению. Цель испытания — выявить ошибки или баги, такие как зависшие состояния или порча данных после провала/перебоя. Если испытание применяется к станку с приводами, приводы должны быть правильно настроены, чтобы весь станок вел себя как задумано во время и после провалов.

Для оборудования с током свыше 16 А на фазу существует другой стандарт испытаний IEC 61000-4-34. Он мало используется из-за сложности и стоимости испытательного оборудования. Поведение высокомощного привода можно надежно предсказать моделированием и масштабированием от модели меньшей мощности.

Еще один стандарт по возмущениям питания исходит от Консультативного комитета по информационным технологиям (ITIC) в США и иногда специфицируется для ИТ-оборудования. Он не определяет метод испытаний, а только поведение напряжения на клеммах. Кривая ITIC (ранее CBEMA) показывает продолжение работы при перебоях до 20 мс. Она применима только к однофазным сетям и не легко адаптируется к трем фазам.

Из предыдущего обсуждения видно, что привод может достичь этого в режиме ride-through при условии, что можно вернуть достаточно запасенной энергии за счет разгона нагрузки, особенно с трехфазным питанием.

Рисунок 2: Кривая ITIC (ранее CBEMA)