Annons

Att ordna hjälpmatning i ett system

Energy Harvesting är en bra teknik när det behövs lite matning till de alltmer strömsnåla system som tidigare krävde 5 volt och något hundratal mA och idag jobbar bra med 1,8 V och µA i sparläge. Annat var det förr.

Då satte man in en transformator med lämplig likriktare och gärna lite glättning i form av en tjock kondensator. Det hände en hel del ”olyckor” med sådana. Misstagen är redan gjorda ett antal gånger. Läs och lär – och undvik att göra samma fel igen. Och om du har liknande upplevelser så berätta gärna om dem så tar vi in dem nästa gång vi hör av oss från periferin.

Nylonfabriken brann innan idrifttagningen startade
Detta var på sjuttiotalet. De första frekvensomriktarna sattes in på en nylonfabrik och allt var väldigt speciellt.

Omriktarna som sådana var en tidig konstruktion med släcktyristorer i stället för de GTO-tyristorer (Gate Turn Off) som användes ett tag under åttiotalet. MOSFET kom in lite senare och nu har vi IGBT med fantastiska prestanda. Det är de som gjort frekvensomriktare till en ”Commodity” som kan skruvas upp och anslutas av varje elektriker i stället för att ett team på två – tre man låg en månad i fält för idrifttagning, som det ofta var i början.

Men nu handlar det om hur illa det kan gå om man koncentrerar sig på ”Det Svåra” och glömmer att det finns annat som bör tänkas igenom också.

Hjälpmatning kan behövas till mycket. Här handlade det om att förse kontaktorspolar med lite extra energi så att de inte föll samtidigt med huvudkontaktorn till frekvensomriktaren. För då blev det till att hämta en skottkärra med supersnabba halvledarsäkringar.

Den extra fördröjningen ordnades med en enkel diod och en elektrolytkondensator som höll kvar den viktiga hjälpkontaktorn ett tag tills lugnet infunnit sig och även den kunde fällas. Det handlade om några sekunder. Schemat såg ut så här. Sinus plus likriktad spänning över kondensatorn visas också:

Eftersom det här skulle bli en referensanläggning så var det väldigt viktigt att nätstörningar hölls borta. En snabb transient kunde mycket väl ”overhead-tända” den tidens tyristorer. Det måste undvikas till varje pris. Annars blev det skottkärran igen. Våra äventyr i värmlandsskogarna hade redan tömt förrådet av säkringar i Sverige och leverantören i Tyskland insåg att han måste speeda upp produktionen.

Försiktighet är ibland en dygd och de tyska konstruktörerna, som då drevs av fruktan för chefen mer än av eget kunnande, lade förstås dit en varistor/MOV över kondensatorn också.

Detta var ju dessutom en så speciell anläggning att det inte dög med en vanlig, naken MOV. Nej, här dög endast en kapslad sådan. Kapslingen var för övrigt fylld med PCB – en populär och vid den tiden alldeles ofarlig isolerolja som också användes i transformatorer och kompenseringskondensatorer. Numera betraktas den som ett gift och måste hanteras ”med största försiktighet”. Men det visste man inte på den tiden.

En MOV skyddar genom att gå från hög resistans under ett tröskelvärde till låg resistans och hög ström över tröskelvärdet. Hur det ser ut visas i bilden. De korta strömpucklarna ger en viss förlusteffekt som komponenten är dimensionerad att klara av utan att skadas eller brinna upp.

När kondensatorn håller spänningen uppe så blir det inga korta strömpucklar längre. I stället blir det en kontinuerlig hög ström som varistorn inte alls klarar av att hantera. Den blev hetare och hetare och till slut sprängdes kapslingen och den brinnande oljan startade en rejäl brand i det cirka fyra meter långa styrskåpet. Vi hade startat från manöverplatsen och när det hände konstiga saker (inte alls vad vi väntat oss) gick vi över till elrummet för att se vad som stod på. Det var svårt att se på grund av all röken från den brinnande PCB:n men vi hittade huvudbrytaren och sprutade kolsyra så att vi fick stopp på branden.

Sedan vidtog ett ganska långt saneringsarbete. Då passade jag på att ta ledigt några dagar och försommarvärmen och den friska luften var nog vad som räddade mig från några bestående men. Liknande fall, men med mindre dramatiska följder dök sedan upp med viss oregelbundenhet.

Kondensatorer är nog bra – på rätt ställe
Nästa fall var när en förtvivlad automationsleverantör ringde och ville att jag skulle komma och kontrollera nätspänningen. ”Ventilspolarna håller bara en eller två timmar – sedan brinner de upp” var hans problem.

Här var det två samverkande problem. Det första var att transformatorn som matade ventilerna hade 24 V sekundärspänning. Det verkade ju rimligt eftersom spolarna hade 24 V DC märkspänning. Det andra var att det satt en kraftig kondensator efter likriktaren.

Nätspänningen var alldeles OK. Och av de fruktade transienterna, som förmodades knäcka ventilspolarna, syntes inte ett spår.

Det tog lite tid att förklara detta med effektivvärde, toppvärde och hög matningsspänning till ventilspolarna och det var först när jag (ganska demonstrativt) klippte kabeln till kondensatorn och han själv kunde se hur spänningen gick från cirka 35 V till 27 V som han började förstå. Att spolarna (de som inte redan hade brunnit) svalnade var också något som uppskattades livligt.

”Jag tipsades om att sätta in en kondensator för att transienter inte skulle slå sönder lindningarna” berättade han. Transienter var den tidens modeord. Senare kom övertoner att bli något som alla pratade om. Det finns alltid något att oroas över. PCB och asbest var inte bra i höga koncentrationer och långvarig exponering men dagens hysteri där omfattande avspärrningar, skyddsdräkter och sanering anses vara nödvändigt så fort någon hittar en bit eternit bakom en elcentral känns en aning obefogad.

Varför fick vi 27 V när transformatorsekundären var stämplad 24 V? Helt enkelt för att en vanlig transformator med några hundra VA inte har märkspänning när den går lågt belastad. Angiven spänning gäller vid full last och 10-15% högre spänning vid låg last är inget konstigt. Det är det som kalla ”regulation” på engelska. Och det har inget med reglering att göra. Man måste se till vilket språk som ligger bakom specarna. På samma sätt kan jag ju passa på att berätta att ”Paraffin” inte betyder paraffin och att ”Eventually” inte alls betyder eventuellt. Det finns många falska vänner i språket.

Det stora slöseriet
Här handlade det om att spara förluster, utrymme i apparatskåp och – inte minst – pengar. När det behövdes en hjälpmatning till ett strömmätdon så blev det livliga protester när jag föreslog att man skulle sätta in ett litet switchaggregat. Alldeles för dyrt. Och plats tog det. Verkningsgraden på de där små aggregaten ansågs också vara alldeles för dålig. Till slut kom det där med komplexiteten och den förmodat höga felfrekvensen också upp. Uppenbarligen var det någon eller några i gruppen som redan hade en lösning och ville att den skulle användas.

Jodå. Det fanns en mycket bättre lösning. Så här:
”Vi har ju redan likspänning i utrustningen (det var en frekvensomriktare med drygt 500 V mellanledsspänning) och då är väl det enklaste att sätta in en spänningsdelare så vi får rätt spänning?”

Det var det lokala geniet som förde ordet och jag hade redan märkt att han gärna ville göra en bestående insats. En del människor är sådana. Att diskutera lönar sig sällan. Bättre att löpa linan ut och låta fakta tala för sig själva. Givet var: 560 V DC, strömmätdonet (Halleffektdon) behövde 12 V nominellt med marginaler 10 till 15 V. Strömförbrukningen var mellan 50 och 100 mA och utsignalens nolla var förbunden med matningsnollan.

Först tittade vi på fotmotståndet i spänningsdelaren. Det skulle vara så lågohmigt att varierande strömförbrukning (från 50 till 100 mA) inte skulle orsaka mer än 5 V spänningsskillnad (15 – 10) V. Så långt var alla överens. Sedan blev det lite problem – kunde man verkligen räkna så? Jo, det måste man nog göra. Då blir Ri i spänningsdelaren 5/50 kΩ dvs 100 Ω.

Sedan blev det knepigt. Vilket motstånd skulle man ha mot +560 V för att få rätt spänning? Jo, det måste ju släppa fram tillräckligt med ström för att ge 100 mA i donet och det skulle ju också finnas ström över till fotmotståndet. Det tyckte alla var rimligt. Vid maximal spänning, dvs 15 V skulle det då flyta 150 mA i fotmotståndet och 100 i mätdonet. Inga protester hördes. Det blir 250 mA totalt i motståndet som ansluts till 560 V, dårå? Jo. Alla var med. Och vilken effekt behöver vi då? Enkelt – 0,25 A gånger 560 V. Det blir 140 W, inte sant? Och antingen får vi speciallinda ett sånt motstånd eller sätta in ett 200 W motstånd. ”Jo, vi tar standard. Special är ju så krångligt”.

Ett 200 W 2240 Ω motstånd var inte så lätt att hitta. Men 2 kΩ fanns. Visst skulle förlusteffekten bli ungefär 10% högre men det fanns ju fortfarande marginal. Så de gick ut på nätet för att beställa ett motstånd. Jag lät dem hållas – förr eller senare skulle dom väl fatta att detta var ett blindspår. Det första utropet gällde priset: ”såå dyrt kunde väl inte ett motstånd vara? Det är väl inga svåra grejer?” Sökandet efter bättre priser fortsatte. Men, nej. Ett schysst 200 W motstånd kostade en bit över 300 kronor. Dessutom skulle det ju till ett fotmotstånd. Inte lika hög effekt, men entusiasmen för den enkla spänningsdelarlösningen var redan i dalande. Sedan kom detta med montaget, 200 W placerar man inte ostraffat nära kabelkanaler och annan elektronik. Och den extra kylningen! Några 200 extra watt att kyla bort var ju inget man längtade efter precis.

Det slutade med ett litet switchaggregat med mängder av godkännanden och certifieringar för 135 kronor. Mindre än 250 mA fanns inte och sparsamhetsivern tog sig svårbegripliga uttryck när man började leta efter ett don som var lite billigare. Och när det inte gav något resultat så fick det bli det lilla switchaggregatet från den välkända tillverkaren. Med några watts förlusteffekt i driftpunkten. Jag slapp alltså ge dem det tråkiga beskedet att en spänningsdelare inte skulle fungera så värst bra eftersom det skulle ha inneburit att likströmsmellanledets minusskena hade behövt kopplas till reglernollan, dvs jord. Jag är glad att jag slapp. Det hade inte gjort mig populär.

Vad lär man av detta? Inte mycket. Utom att det finns en viss motvilja att sätta in bra lösningar när man lika gärna kunde hänga in en rulle motståndstråd i skåpet. Det är ju enkelt. Lika enkelt som att behålla den gamla faxen – även om koppartrådarna försvann för flera år sedan. Och, förstås, att det är Verkligheten som gäller. Alltid.


Lämpligt motstånd – komplett med justerbart lågspänningsuttag!

Slutligen, de havererade frekvensomriktarna
Hjälpmatningen till elektroniken i en frekvensomriktare ska aldrig – det vill säga inte – någonsin – tas via ett matningsdon som tar sin kraft från nätspänningen. Vid nätspänningsbortfall blir switchtransistorerna alldeles utan styrsel. För att inte tala om all övrig elektronik. Det blir kaos. Motorer med stora svängmassor börjar mata tillbaka via frihjulsdioderna och det är bara ett av problemen. Totalt haveri blir inte sällan följden och vid ett tillfälle uppstod så höga spänningar att det blev överslag från mellanledet till gods i omriktaren. Riktigt hemskt att se.

Om man i stället, vilket numera alla framgångsrika omriktartillverkare gör, tar matningen till switchaggregatet för hjälpmatning från likströmsmellanledet så slipper man få problem när nätspänningen försvinner. Energin i mellanledet finns ju att ta av och dessutom kommer den kinetiska energin i motor och svängmassor att mata in ny energi tills allt är lugnt och ett välordnat stopp, utan skador, kan ske.

Det får räcka med detta. Att sprida dåliga exempel kan inte vara bra. Men lite lärorikt kan det nog ändå vara. Jag får tacka för tålamodet – och be om ursäkt för alla dumheter jag berättat om. Gör inte så hemma! Eller någonstans. ”Don’t try this at home!” brukar det ju heta.

Ha det bra i centrum eller periferi. Var den än ligger. Kommentarer läser jag gärna.

Gunnar Englund, GKE Elektronik AB

Comments are closed.