Skuteczne odwzbudzanie przekaźników separacyjnych w przypadku długich odcinków przewodów sygnałowych było zawsze dużym zmartwieniem integratorów systemów automatyki. Problem niezwykle istotny – zwłaszcza w rozbudowanych elektrowniach, gdzie odległości pomiędzy czujnikami i elementami kontrolnymi a systemami sterowania nierzadko przekraczają kilkaset metrów.
Dzięki opracowaniu przez firmę WAGO ELWAG nowego rozwiązania przekaźnika separacyjnego, odpornego na pasożytnicze napięcia resztkowe, spowodowane pojemnościami przewodów zasilających lub sprzężeniami indukcyjnymi, zagadnienie skutecznego separowania sygnałów nie wymaga stosowania specjalnych zabiegów i przestało być problemem integratorów i użytkowników rozległych przestrzennie obiektów.
Opis zjawiska
Ze względu na pewność komutacji styków łączników krańcowych lub innych czujników dwustanowych stosowanych w przemyśle i energetyce, często spotykanym napięciem sterowniczym jest napięcie przemienne 230 V AC. Przy tym rodzaju i poziomie napięcia
w przypadku zastosowania długich przewodów zasilających cewkę miniaturowego przekaźnika, występuje niekorzystne zjawisko – podtrzymanie pobudzenia przekaźnika mimo otwarcia styku czujnika, co obrazuje poniższy rysunek:
Fizyka powyższego efektu wygląda następująco – im dłuższy przewód zasilający, tym jego pojemność całkowita C (pojemność właściwa Co pomnożona przez długość przewodu l) większa, a reaktancja pojemnościowa mniejsza:
Zatem prąd zamykający się przez małą reaktancję pojemnościową
rośnie wraz z długością kabla i przy pewnej długości może być na tyle duży, że pomimo otwarcia styku czujnika przekaźnik będzie nadal podtrzymany (styk zamknięty). W konsekwencji spowoduje to fałszywą interpretację sygnału z obiektu, np. system cyfrowy otrzyma sygnał wysoki pomimo odwzbudzonego czujnika. Proporcjonalne do przepływającego prądu pojemnościowego jest również napięcie resztkowe na zaciskach cewki.
Aby wyeliminować ten niekorzystny efekt, trzeba było skonstruować przekaźnik, posiadający odpowiednio wysoki prąd i napięcie odpadania, czyli graniczne wartości, przy których energia zamykająca się przez pojemność kabla pozwoli na odwzbudzenie przekaźnika przy zaniku sygnału sterującego. W przypadku standardowych przekaźników napięcie odpadania określane jest na poziomie ok. 10% Un, czyli przy 230 V AC – ok. 23 V. Takie napięcie może pojawić się na końcach cewki nawet przy kilkudziesięciometrowym przewodzie. Dlatego standardowy przekaźnik nie nadaje się do obwodów z długimi kablami.
Charakterystyka przekaźnika WAGO
Przekaźnik 859-363 to konstrukcja, w której prąd i napięcia odpadania są na takim poziomie, że zjawisko podtrzymania styku ze względu na pojemność pasożytniczą przewodu nie występuje – nawet w przypadku kilkusetmetrowych kabli.
Napięcie cewki, przy którym następuje odpadanie styku jest wyższe od 120 V i – co najważniejsze – jest to wartość bardzo stabilna (w zależności od egzemplarza dryfuje pomiędzy 120 a 140 V). Maksymalna wartość prądu, przy której gwarantowane jest odpadanie przekaźnika, nie jest mniejsza od 5 mA (również tutaj przyjęto pewien margines bezpieczeństwa, bo w rzeczywistości wartość ta oscyluje wokół 6-7 mA). Z obliczeń wynika, że dla przekaźnika o napięciu odpadania Uwył na poziomie 130 V,
prądzie Iwył = 6,5 mA i dla kabla o pojemności właściwej 220 pF/m, przy napięciu wejściowym 230 V, graniczna dopuszczalna długość podłączanego przewodu wynosi 936 m. Należy mieć jednak świadomość, że jest to wartość obliczeniowa, tzn. nieuwzględniająca żadnych zakłóceń zewnętrznych, mogących pojawiać się w układzie poprzez sprzężenia indukcyjne lub pojemnościowe, np. od kabli silnoprądowych lub elementów konstrukcyjnych mogących wpłynąć na zmianę pojemności. Zakładając duży zapas bezpieczeństwa, można stwierdzić, że przekaźnik bez żadnych zakłóceń jest w stanie działać przy długościach przewodu do 350 m. Długość ta i tak pozwala firmie WAGO być liderem wśród producentów przekaźników przeznaczonych do separacji w warunkach, o których była mowa powyżej. Statystyka występowania różnych długości kabli stosowanych w automatyce przemysłowej raz jeszcze potwierdza, że w przeważającej liczbie przypadków stosowanie przekaźnika 859-363 może być gwarancją sukcesu (patrz tabela).
Ważnym parametrem tego przekaźnika jest również obniżone w stosunku do standardowych rozwiązań napięcie załączenia: dla 859-363 jest ono mniejsze od 160 V, natomiast dla przekaźników typowych kształtuje się na poziome 85% Un, czyli przy Un = 230 V AC wynosi ok.195 V.
W dużych obiektach przemysłowych często występują wahania napięcia sieciowego, np. na skutek rozruchu dużych maszyn elektrycznych (wentylatory, kruszarki itp. o mocy kilkuset kW), co przy progu załączenia 195 V mogłoby prowadzić do odpadania przekaźnika, a w konsekwencji do zakłóceń w sterowaniu. Napięcie załączenia na poziomie 160 V zapewnia poprawną pracę urządzenia również przy tego typu zakłóceniach.
Dzięki zastosowaniu przekaźnika 859-363, np. przy modernizacjach układów nawęglania, odpopielania, w stacjach uzdatniania wody można uniknąć wielu kłopotliwych sytuacji, a problem zawieszających się przekaźników odesłać do lamusa.
Henryk Ziegler, WAGO.PL