Integracja falowników w systemach sterowania silnikami elektrycznymi jest standardem w przemyśle, od instalacji dźwigowych, pompowych i maszynowych, po napędy HVAC. Choć technologia ta umożliwia precyzyjną regulację parametrów pracy, stwarza również specyficzne wyzwania w zakresie ochrony przeciwporażeniowej.
Silniki zasilane przez przemienniki częstotliwości generują doziemne prądy upływowe o złożonym charakterze, w tym prądy stałe wygładzone. Dodatkowo, w środowiskach przemysłowych występuje znacząca obecność wyższych harmonicznych (będących wielokrotnościami częstotliwości podstawowej 50 Hz) oraz zakłóceń elektromagnetycznych. Ta kombinacja czynników sprawia, że standardowe wyłączniki różnicowoprądowe typu A i AC są niewystarczające, a ich skuteczność w warunkach awaryjnych jest ograniczona. Dla zapewnienia efektywnej ochrony przeciwporażeniowej i przeciwpożarowej w tego typu instalacjach, konieczne jest zastosowanie urządzeń o rozszerzonym zakresie detekcji. Zgodnie z normą IEC 61800-5-1, rekomendowanym rozwiązaniem jest wyłącznik różnicowoprądowy typ B, np. serii Acti 9 iID firmy Schneider Electric.
Wyłącznik różnicowoprądowy typ B to obecnie jedno z najpopularniejszych zabezpieczeń elektrycznych w szeroko pojmowanej branży przemysłowo-produkcyjnej ze szczególnym naciskiem na zabezpieczenie układów napędowych maszyn i urządzeń.
W odróżnieniu od znanych z zastosowań domowych różnicówek typu AC (wykrywających prąd różnicowy przemienny) i A (wykrywających prąd różnicowy przemienny i stały pulsujący) różnicówka typ B oferuje szeroką ochronę przed prądami różnicowymi przemiennymi (w tym prądami o wysokiej częstotliwości), a także prądami stałymi pulsującymi i stałymi wygładzonymi.
Wśród kluczowych parametrów opisujących każdy wyłącznik tego rodzaju należy wymienić:
• Prąd znamionowy – maksymalny prąd roboczy przepływający przez wyłącznik, przy którym prawidłowo spełnia on swoją funkcję.
• Prąd różnicowy – wartość różnicy prądu w obwodzie, przy jakiej wyłącznik zadziała. Standardowe wartości proponowane przez producentów to najczęściej: 10 mA, 30 mA, 100 mA, 300 mA, 500 mA oraz 1 A.
• Czułość na prąd upływu – inaczej prąd różnicowy niewyzwalający. Jest to maksymalna wartość prądu różnicowego, przy której wyłącznik nie zadziała. W przypadku ochrony ludzi przed porażeniem jest to najczęściej 30 mA, dla ochrony przeciwpożarowej 100-300 mA.
• Opóźnienie czasowe – określany w milisekundach (ms) maksymalny czas działania prądu różnicowego, który nie wyzwoli wyłącznika różnicowoprądowego.
• Liczba biegunów – standardowo dostępne są wyłączniki dwu- lub czterobiegunowe (np. Schneider Electric Acti9 iID-40-4-500-B-SI)
• Tryb wyzwalania – najczęściej spotykane rozwiązania to różnicówka typ AC lub A oraz różnicówka typ B.
Prawidłowy dobór i montaż różnicówki jest kluczowym elementem zapewnienia bezpieczeństwa instalacji elektrycznej, w tym ochrony przed porażeniem prądem i pożarem. Jeżeli ze specyfiki instalacji wynika konieczność zapewnienia pełnej ochrony przeciwprzepięciowej optymalnym wyborem będzie modułowy wyłącznik różnicowoprądowy typ B (np. Schneider Electric serii Acti 9 iID).
Pierwszy i najważniejszy krok to dobór urządzenia o odpowiednim prądzie znamionowym, równym lub większym niż maksymalny prąd obciążenia danego obwodu. Dodatkowo, należy sprawdzić, czy wybrany model wyłącznika będzie „współpracował” z innymi zabezpieczeniami na tablicy rozdzielczej, np. wyłącznikiem nadprądowym i ogranicznikiem przepięć (SPD). Zależnie od potrzeb i charakterystyki instalacji dobieramy również pozostałe parametry urządzenia. Montażu różnicówki dokonujemy pomiędzy wyłącznikiem głównym, a odbiornikami prądu, na początku chronionego obwodu. Zgodnie z oznaczeniami producenta przewody fazowe podłączamy do zacisków wejściowych, zaś przewód neutralny do zacisku N. Po zakończeniu montażu należy się upewnić, że uzyskany układ odpowiada rzeczywistej konfiguracji zasilania, zaś instalacja jest prawidłowo uziemiona.
Konstrukcja falownika (przemiennika częstotliwości) sprawia, że generuje on stałe, robocze prądy upływowe różnego pochodzenia. Pełną ochronę przed nimi zapewnia wyłącznik różnicowprądowy typ B (np. Schneider Electric serii Acti 9 iID) – wykrywający prądy różnicowe stałe, przemienne i pulsujące, również o wysokich częstotliwościach. Standardowe różnicówki typu A lub AC, wykrywające tylko prądy pulsujące i przemienne, mogą okazać się niewystarczającym zabezpieczeniem. Do najważniejszych kwestii projektowych, oprócz doboru prądu znamionowego urządzenia (≥ prąd znamionowy obwodu), jest prawidłowe dopasowanie czułości wyłącznika do parametrów instalacji. W uproszczeniu chodzi o to, aby nie dochodziło do wyzwolenia różnicówki w sytuacji braku realnego zagrożenia, np. gdy prąd upływowy zbliża się do granicy progu zadziałania wyłącznika (np. >50% z 30 mA). Dla większości typowych instalacji przemysłowych dobrym rozwiązaniem może okazać się np. różnicówka typ B o czułości rzędu 100/300 mA jako zabezpieczenie główne dla ochrony przeciwpożarowej oraz 30 mA dla ochrony przeciwporażeniowej na konkretniej maszynie. W przypadku wielu falowników obsługujących jedną instalację wskazane jest stosowanie oddzielnych różnicówek dla każdego z nich, co pozwoli uniknąć sumowania się prądów upływowych. Należy też pamiętać o zastosowaniu prawidłowego, zgodnego z zaleceniami producenta uziemienia, bez którego różnicówka typ B może działać nieprawidłowo.
Wyłącznik różnicowoprądowy typ B to skuteczne zabezpieczenie silników, maszyn przemysłowych i zaawansowanej elektroniki przed prądami upływowymi różnego pochodzenia – przemiennymi o różnych częstotliwościach (AC) oraz stałymi pulsującymi i gładkimi (DC). Urządzenie automatycznie odłącza zasilanie po wykryciu, że suma wypływających z niego prądów nie zgadza się z sumą prądów wpływających. Ze względu na swoją uniwersalność różnicówka typ B jest powszechnie wykorzystywana do ochrony przeciwporażeniowej i przeciwpożarowej instalacji, w których tego typu prądy występują. Są to najczęściej instalacje z urządzeniami generującymi prąd stały lub wyposażonymi w przemienniki częstotliwości do płynnej regulacji momentu oraz prędkości obrotowej silników elektrycznych (napędy i automatyka przemysłowa, linie produkcyjne, serwerownie i centra danych wyposażone w zasilacze UPS, falowniki instalacji fotowoltaicznych, stacje ładowania samochodów elektrycznych). Przemienniki częstotliwości, wymagające zabezpieczenia poprzez wyłącznik różnicowoprądowy typ B, powszechnie spotykane są też w różnego typu aparaturze medycznej: rezonansie magnetycznym, tomografach komputerowych czy aparatach RTG. Zabezpieczenia różnicowoprądowe typu B wymagane są wszędzie tam, gdzie standardowe różnicówki typu AC lub A mogą nie zapewnić pełnej ochrony ze względu na obecność prądów stałych, lub złożonych przebiegów prądu zmiennego.
Różnicówka typ B 30mA to zabezpieczenie wykorzystywane głównie do ochrony przeciwporażeniowej pracowników mogących mieć bezpośredni kontakt z obwodem elektrycznym. Funkcją mniej czułej różnicówki 300mA jest zabezpieczenie przeciwpożarowe maszyn i instalacji, których przewody pod wpływem wysokich prądów upływowych mogłyby ulec silnemu przegrzaniu i samozapłonowi. W aplikacjach przemysłowych najlepszy poziom ochrony przed prądami upływowymi zapewnia jednoczesne wykorzystanie obu typów wyłącznika – różnicówki 300 mA jako zabezpieczenia głównego oraz 30 mA dla poszczególnych urządzeń.
W typowej instalacji kaskadowej wyłączniki różnicowoprądowe (RCD) rozmieszczone są hierarchicznie: wyłącznik główny przy źródle zasilania, wyłączniki sekcyjne w rozdzielnicach oraz wyłączniki odbiorcze zabezpieczające poszczególne obwody końcowe. Kluczowym warunkiem poprawnego działania instalacji kaskadowej jest prawidłowy dobór charakterystyki czasowo-prądowej zamontowanych różnicówek selektywnych (oznaczanych jako Ⓢ lub typu S). Wyłącznik nadrzędny powinien mieć wyższy prąd znamionowy niż podrzędny, zaś wyłączniki podrzędne muszą charakteryzować się krótszym czasem zwłoki niż wyłącznik nadrzędny. Przykładowo, może to być RCD 300 mA typu B S jako zabezpieczenie główne, RCD 100 mA typu B S dla danej sekcji i RCD 30 mA typu B dla gniazda konkretnej maszyny. Tak skonstruowany układ sprawia, że w przypadku przeciążenia lub zwarcia zadziała tylko wyłącznik najbliższy uszkodzonego obszaru. Zapewni on ochronę do danej granicy wartości przeciążenia, bez wyzwalania drugiego urządzenia zabezpieczającego.
