Laitetekniikka Älykkäät sulakkeet sulakesuojauksen uudet mahdollisuudet Automaatiolaitteiden 24 voltin jännitesyötöt suojataan yleensä johdonsuojakatkaisijoilla eli automaattisulakkeilla. Tietyissä kohteissa on käytetty nopeasti toimivia ja edullisia lasiputkisulakkeita. Nämä tekniikat eivät ole aina toimineet riittävän hyvin. Nykytekniikkaa olevat elektroniset suojalaitteet mahdollistavat puolestaan ratkaisun, joka toimii vikatilanteissa paljon yleisesti käytettyjä suojausratkaisuja varmemmin ja luotettavammin. Niiden hinnat ovat myös laskeneet tasolle, jolla ne ovat entistä useammin varteenotettava vaihtoehto perinteiselle sulakesuojaukselle. Matti Kleemola tuotepäällikkö Siemens Osakeyhtiö matti.kleemola@ siemens.com E lektroniset suojauslaitteet toimivat eri periaatteella kuin perinteiset sulakkeet ja johdonsuojakatkaisijat. Niitä käyttäen päästään eroon monista ongelmista, joita 24 voltin suojauksissa havaitaan. Nämä ongelmat ilmenevät käytännössä siten, että vikatilanteessa sulake ei laukea, eli suojaus ei toimi. Toimimattomuuden taustalla voi olla esimerkiksi liian suureksi mitoitettu sulake, liian pieni teholähde, liian pitkät tai ohuet johtimet. Lähdettäessä tarkastelemaan mitä johtimissa tapahtuu ja mistä ongelmat tarkasti ottaen johtuvat havaitaan, että elektronista suojauslaitetta käyttäen voidaan helposti välttää pahimmat sudenkuopat sulakesuojauksen suunnittelussa. Lopputuloksena on paremmin toimiva laite ja mikä tärkeintä, tyytyväisempi asiakas. kuin usein ajatellaan. Se on monesti selvästi vaativampaa kuin 230 voltin syöttöpuolen toteuttaminen. Ongelma johtuu osittain juuri matalasta jännitteestä. Saman tehon siirtäminen 230 voltin vaihtojänniteverkossa ja 24 voltin tasa jänniteverkossa asettaa käytetylle johdotukselle ja suojauksille aivan erilaisia vaatimuksia. Samalla teholla 24 voltin verkossa virta on 230 voltin verkkoon nähden lähes kymmenkertainen. Aina kun tehoa siirretään, tapahtuu johtimissa ja liitoksissa jännitehäviöitä, joiden suuruus riippuu johtimissa kulkevasta vir- Johtimet rajoittavat virtaa Luotettavasti toimivan 24 voltin tasajännitesyötön suunnittelu ei ole niin yksinkertaista 52 Promaint 6 2009 Elektronista suojauslaitetta käyttäen voidaan helposti välttää pahimmat sudenkuopat sulakesuojauksen suunnittelussa.
Esimerkki Laskelma johtimessa tapahtuvasta jännitehäviöstä Siirrettävä teho on 240 wattia. Käytetään 0,75 mm 2 kuparijohdinta. Kuorma, eli syötettävä laite, on 10 metrin päässä sähkökaapista. Johtimen kokonaispituus paluujohtimen kera on 20 metriä ja resistanssi näin ollen 0,48 ohmia. Kun myös liitosten resistanssit huomioidaan, kokonaisresistanssi on vähintään 0,6 ohmia. 230 voltin syöttöjännite Virta = 240 W / 230 V 1,0 A Jännitehäviö = 1 A * 0,6 Ω = 0,6 V Jännitehäviön osuus koko jännitteestä = 0,6V / 230 V 0,2 % 24 voltin syöttöjännite Virta = 240 W / 24 V = 10 A Jännitehäviö = 10 A * 0,6 Ω = 6 V Jännitehäviön osuus koko jännitteestä = 6V / 24 V = 25 % rasta sekä resistanssista eli vastuksesta. Kun virta kymmenkertaistuu, kymmenkertaistuu myös jännitehäviö. Kun syöttöjännite on jo valmiiksi suhteellisen matala, on pienikin jännitehäviö merkittävä (katso esimerkkiä). Jännitehäviöllä on merkitystä sulakesuojauksen yhteydessä, koska se rajoittaa suurinta virtaa, jota johtimessa voidaan siirtää. Jännitehäviö voi olla korkeintaan syöttöjännitteen suuruinen. Suurin johtimessa siirrettävä virta taas asettaa rajoituksen käytettävälle sulakekoolle. Toinen tärkeä sulakekokoa rajoittava tekijä on tietysti teholähteen virransyöttökyky. Johdonsuojakatkaisimen Johdonsuojakatkaisija voi laueta laukaisukäyrän mukaisesti, jolloin puhutaan termisestä laukaisusta, tai se voi laueta elektromagneettisesti, jolloin puhutaan pikalaukaisusta. Terminen laukaisu perustuu siihen, että johdonsuojakatkaisijan läpi kulkeva virta lämmittää sitä. Kun se on lämmennyt riittävästi, tapahtuu laukaisu. Elektromagneettinen laukaisu taas perustuu virran aiheuttamaan magneettikenttään, joka kiskaisee johdonsuojakatkaisijan kärjet irti toisistaan. Elektromagneettinen laukaisu tapahtuu hyvin nopeasti, muutamassa millisekunnissa. Tästä se onkin saanut nimen pikalaukaisu. Automaatiolaitteissa käytetään lähes poikkeuksetta hakkuriteholähteitä. Valmistajasta riippumatta hakkuriteholähteet pystyvät oikosulkutilanteessa syöttämään suurta virtaa vain alle sadan millisekunnin ajan. Tämän jälkeen niiden lähtöjännite laskee lähelle nollaa. Tällöin johtimien ja liitosten resistanssi alkaa käytännössä rajoittaa virtaa. Sulaketta lämmittävä teho vähenee ja tarvitaan hyvin pitkä aika termiseen laukaisuun. Tähän voi kulua Sandvik - hihnakuljettimien asiantuntija Onko kuljettimesi turvatarkastettu? Sandvik on johtava hihnakuljettimien ja niiden osien toimittaja. Ennakoiva huolto lisää turvallisuutta ja tuottavuutta. Sandvik päivittää kuljettimesi turvajärjestelmät tämän päivän vaatimusten mukaisesti. Kun haluat hallita riskejä, Sandvik on oikea valinta. www.sandvik.com Sandvik Mining and Construction Finland Oy Keskikankaantie 19, 15860 Hollola, puh. 0205 44 181, fax 0205 44 5600 Promaint 6 2009 53
useita minuutteja. Vielä tyypillisemmin virta jää niin pieneksi, ettei termistä laukaisua koskaan tapahdu. Käytännössä voidaan siis ajatella, ettei hakkuriteholähde oikosulkutilanteessa laukaise johdonsuojakatkaisijaa, ellei laukaisu tapahdu pikalaukaisuna. Johdonsuojakatkaisijoilla toteutettu sulakesuojaus tuleekin suunnitella niin, että laukaisu tapahtuu oikosulkutilanteessa pikalaukaisuna. Esimerkiksi kolmen ampeerin C-käyräinen johdonsuojakatkaisija tarvitsee pikalaukaisuun noin 35 40 ampeerin virran. Tämä asettaa myös johdinpituudelle rajoituksen. 0,75 mm² johtimilla voi kuorman etäisyys teholähteestä olla korkeintaan kymmenen metriä, jotta pikalaukaisu voisi tapahtua. Eikä tämä rajoite ole riippuvainen teholähteen virransyöttökyvystä. Älykkäiden sulakkeen korvaajien Elektroniset, älykkäät sulakkeen korvaajat eivät aseta samanlaisia rajoitteita kuin johdonsuojakatkaisijat. Niissä laukaisu tapahtuu mikroprosessorin ohjaamana. Laitteen läpi kulkevaa virtaa mitataan ja mittaustuloksen perusteella päätetään, milloin laukaisu tapahtuu. Yleensä laukaisukäyrät on suunniteltu niin, että pitkään jatkunut pienikin ylivirta johtaa laukaisuun ja iso ylivirta johtaa hyvin nopeaan laukaisuun. Valmistajasta riippuen nopeaan laukaisuun tarvitaan nimellisarvoon nähden 1,3...3-kertainen virta. Johdonsuojakatkaisijaan nähden ero on huomattava. Elektroninen suojauslaite ei laukea laitteiden käynnistyessä, vaikka se suojaakin luotettavasti vikatilanteissa. Mikropiirin käyttö mahdollistaa myös muiden toimintojen lisäämisen. Kuten jo aiemmin tuli todettua, hakkuriteholähteen lähtöjännite tipahtaa oikosulkutilanteessa muutamaan volttiin, mikäli sulake ei laukea. Elektroniset laitteet voivat mitata teholähteen syöttämää jännitettä. Ylivirtatilanteessa voidaan laukaisu suorittaa välittömästi, kun jännite alkaa tipahtaa, vaikka laukaisua ei muuten vielä tässä ajassa tapahtuisi. Näin teholähteen jännite säilyy 24 voltissa, eikä vika pääse häiritsemään koko laitteistoa. Hakkuriteholähteen Hakkuriteholähteen virransyöttökyky riippuu sen suunnittelusta. Eri valmistajien malleissa on huomattaviakin eroja. Laadukas teholähde pystyy oikosulkutilanteessa syöttämään nimellisvirtansa moninkertaisesti ennen kuin sen lähtöjännite alkaa laskea. Huonolaatuinen teholähde taas ei välttämättä pysty syöttämään edes puolitoistakertaista virtaa. Myös siinä on eroja, kuinka pitkään tätä suurta virtaa, joka on tarkoitettu sulakkeen laukaisuun, pystytään syöttämään. Ajat vaih- 54 Promaint promaint_1009_machineryvekt.indd 6 2009 1 29.9.2009 16:31:34
televat muutamista millisekunneista kymmeniin millisekunteihin. Tämän ajan kuluttua teholähteen jännite tulee tippumaan lähelle nollaa, ellei oikosulku ole poistunut. Valitsemalla suuren oikosulkuvirran antava teholähde, voidaan käyttää jopa tuplasti suurempaa johdonsuojakatkaisijaa kuin heikomman teholähteen kohdalla. Nimellisvirraltaan viiden ampeerin teholähteen tapauksessa tämä tarkoittaa joko C1- tai C2-johdonsuojakatkaisijaa eli yhden tai kahden ampeerin C-käyräistä mallia. A-käyräisten kanssa valinta menee välille A6 A10 teholähteestä riippuen. 10 ampeerin teholähteen kohdalla suurin sulakearvo on välillä C2 C4. Uusi tekniikka korvaa lasiputkisulakkeet C-käyräinen sulake vaatii huomattavan ylivirran, jotta pikalaukaisu voisi tapahtua, ja tästä johtuen joudutaankin joissain tilanteissa käyttämään nopeampia sulakkeita. Lasiputkisulakkeita käyttäen voidaan valita vielä suurempia sulakearvoja ja silti ne laukeavat vikatilanteessa luotettavasti. Sekä lasiputkisulakkeiden että A-käyräisten johdonsuojakatkaisijoiden kohdalla ongelmaksi saattaa kuitenkin muodostua niiden liiankin nopea laukeaminen. Tällöin sulake saattaa laueta tahattomasti, esimerkiksi silloin, kun laitteistoon kytketään sähköt päälle tai ohjataan isoa magneettiventtiiliä tai kontaktoria. Älykäs sulake on parempi kuin järeä teholähde Monet laitteet kuluttavat käynnistyshetkellä moninkertaisesti nimellisvirtansa. Luotettavasti toimiva sulakesuojaus ei saa laueta tällaisesta. Siksi johdonsuojakatkaisijaa käytettäessä valitaan usein B- tai C-käyräinen malli. Ongelmana on, että samassa laitteistossa tarvittaisiin samanaikaisesti sekä hitaan että nopean sulakkeen ominaisuuksia. Tällaista toimintaa ei kuitenkaan perinteisiä ratkaisuja käyttäen voida saavuttaa. Elektronista suojauslaitetta käyttäen voidaan sulakearvot valita vapaammin. Varsinkin niissä malleissa, joissa käytetään myös tulojännitteen tarkkailua, voidaan olla varmoja luotettavasta toiminnasta kaikissa tilanteissa. Elektroninen suojauslaite ei laukea laitteiden käynnistyessä, vaikka se suojaakin luotettavasti vikatilanteissa. Sen voidaan ajatella toimivan hitaana sulakkeena käynnistyshetkillä, mutta silti laukeavan nopeasti vikatilanteissa, jotka kestävät pidempään kuin käynnistysvirtapiikit. Tämä on voitu toteuttaa joko niin, että huomattavakin ylivirta sallitaan hetkeksi, kunhan teholähteen jännite ei lähde laskemaan. Joissakin malleissa on voitu mennä vielä pidemmälle ja rajoittaa virtaa. Puolijohteilla toteutetun laukaisupiirin ansiosta laitetta voidaan käyttää myös virtaa rajoittavana komponenttina ja leikata virtapiikit pois. Laukaisu suoritetaan, ellei ylikuormitus lopu muutamassa kymmenessä millisekunnissa. Tällöin saavutetaan nopea toiminta vikatilanteissa, ja silti laitteet käynnistyvät luotettavasti ilman tahattomia laukaisuja. Voidaan kärjistäen sanoa, että mikäli teholähteen valinnalla voidaan vaikuttaa suurimpaan luotettavasti toimivaan sulakearvoon hieman, voidaan elektroniseen sulakkeeseen vaihtamalla vaikuttaa siihen paljon. Suojausperiaatteen merkitys on siis isompi kuin teholähteiden välisten erojen vaikutus. Muut vikatilanteet Tähän asti on tarkasteltu ainoastaan suojauksen toimivuutta oikosulkutilanteessa. On myös muita vikatilanteita kuin oikosulku. Puhutaan esimerkiksi SLO on Suomen johtava sähkö- ja teletarvikkeiden tukkuliike. Maan kattavan myyntiorganisaatiomme ansiosta meillä on vahva paikallistuntemus asiakkaidemme tarpeista ja toiminnasta olemme lähellä asiakasta. Noutomyymälöiden asiantuntevat myyjät ovat asiakkaidemme tukena arkisin 7 16. Kiire- ja hätä tilanteita varten luotu hätäpalvelu toimii ympäri vuorokauden. Lisäksi asiakkaidemme käytössä on joka hetki toimiva sähköinen kauppapaikka SLO Online osoitteessa www.slo.fi. www.slo.fi Promaint 6 2009 55
ryömivistä oikosuluista, eli tilanteista, joissa laite tai johdo- säästää kustannuksia Elektroninen suojauslaite tus on vaurioitunut niin, että se Elektronisten suojauslaitteiden kuluttaa virtaa enemmän kuin käyttö lisääntynee tulevaisuudessa merkittävästi. Niiden käy- sen kuuluisi. Virta ei kuitenkaan kasva niin isoksi, että johdonsuojakatkaisija laukeaisi ennen hinta. Tuotteita on ollut markkitön esteenä on aikaisemmin ollut ongelmien syntymistä. Johdonsuojakatkaisijan laukeamiseen roniikan kehittymisen myötä noilla jo useita vuosia, ja elekt- tuplasti sen nimellisvirtaa vastaavalla virralla kuluu noin mitä lähemmäksi johdonsuojakat- niiden hinnat ovat tulleet entisnuutti. Tämä aika on suunnilleen kaisijoita. sama sekä A- että C-käyräisellä Mikäli johdonsuojakatkaisija ei laukea vikatilanteessa luo- johdonsuojakatkaisijalla. Vasta moninkertainen ylivirta tuo esille tettavasti, on vikaa usein vaikea paikallistaa. Kun vika lo- A- ja C-käyräisten nopeuserot. Myös tällaisessa tilanteessa pulta löytyy, on käytetty paljon elektroninen suojauslaite toimii kallista työaikaa. luotettavasti. Ylivirta johtaa laukaisuun laitteen laukaisukäyrästä donsuojakatkaisijan sijasta asen- Mikäli laitteeseen olisi joh- riippuen viimeistään muutamien nettu elektroninen suojauslaite, olisi vika löytynyt nopeasti. kymmenien sekuntien kuluttua. Perinteiset johdonsuojakatkaisimet toimivat huonosti kaikistaero johdonsuojakatkaisijaan Elektronisen suojauslaitteen hinsa muissa tilanteissa kuin kunnollisessa oikosulussa. Silloin- nopeammin selvitetty vikatilan- on niin vähäinen, että yksikin kin luotettavaan toimintaa vaaditaan tarkkaa 27.8.2009 suunnittelua. 00:12 Page 1 ne tekee kokonaisuudesta edullisemman. Locktite185x130 Kuntoon perustuva kunnossapito Tampere 28.10.2009 Tule kuulemaan luennot uuden kirjan aihepiiristä ja keskustelemaan kirjoittajien kanssa. Saat mukaasi painotuoreen julkaisun. Ohjelma 8:30 Ilmoittautuminen ja kahvi 9:00 Avaus ja johdatus kuntoon perustuvaan kunnossapitoon henry Mikkonen 9:30 Kuntoon perustuvan kunnossapidon suunnittelu juha Kautto 10:00 Kunnonvalvontaprosessi ja valvontamenetelmät pertti Leinonen 10:30 Tauko 10:45 Kunnonvalvonnan korkeataajuiset menetelmät juha Miettinen 11:15 Sähkökoneiden sähköiset kunnonvalvontamenetelmät voitto Kokko 11:45 Turvallisen käyttöiän arviointi erkki Jantunen 12:15 Loppukeskustelu 12:30 Tilaisuuden päätös lounas ja tutustuminen messuihin Lisätietoja ja ilmoittautuminen www.promaint.net Reliability at work Loctite 2400 & 2700 Työturvallisuuden edelläkävijä Uudet ympäristöystävälliset lukitteet: - Ei varoitussymboleita - Ei vaaralausekkeita - Parempi työturvallisuus entisillä ominaisuuksilla Koska turvallisuus on tärkeintä. Lisää paremmasta työturvallisuudesta sivuillamme: www.loctitesolutions.com 56 Promaint 6 2009