Beveiliging tegen elektrische schokken en energiegevaren

Beveiliging en Veiligheid van Frequentieregelaars

Elektrische producten, zoals frequentieregelaars, werken vaak met spanningen en stromen die potentieel gevaarlijk kunnen zijn voor mensen, dieren en systemen. De gevaren kunnen voortkomen uit fysieke aanraking, overbelasting, kortsluiting, schade aan componenten, of door invloeden zoals warmte en vocht. Om deze gevaren te beperken, moeten er bij het ontwerp van de frequentieregelaar voorzorgsmaatregelen worden genomen, inclusief een gedegen foutanalyse en risico-inschatting.

Veiligheidsaspecten bij Frequentieregelaars

Er zijn twee belangrijke niveaus van bescherming tegen elektrische schokken in frequentieregelaars:

Basisbeveiliging:
Dit beschermt de gebruiker tegen elektrische schokken onder normale bedrijfsomstandigheden. Basisbeveiliging wordt vaak gerealiseerd door fysieke omhulsels, barrières, of voldoende veiligheids-/kruipafstanden rondom de regelaar.

Foutbeveiliging:
Dit beschermt de gebruiker tegen elektrische schokken bij een enkele foutsituatie. In frequentieregelaars wordt foutbeveiliging doorgaans gerealiseerd door het gebruik van kunststof behuizingen of door een correcte aardverbinding.

    Galvanische Scheiding

    Om gevaarlijke spanningen (zoals netspanning, DC-spanning of motor spanningen) op de stuurcomponenten te voorkomen, wordt er beschermende galvanische scheiding toegepast tussen de stuuraansluitingen en de vermogenscomponenten van de frequentieregelaar. Dit voorkomt dat een defect in de regelaar gevaarlijke spanningen op de stuuraansluitingen kan zetten, wat anders levensgevaarlijk zou kunnen zijn en tevens de apparatuur zou kunnen beschadigen.

    Beveiliging en Beschermingsklassen

    Volgens de internationale norm IEC/EN 61800-5-1 moeten frequentieregelaars voldoen aan de vereisten voor bescherming tegen elektrische schokken en andere gevaren. De behuizing van de frequentieregelaar biedt bescherming tegen letsel of schade door aanraking. De bescherming wordt bepaald door de IP-code (Ingress Protection) die de mate van bescherming tegen fysiek contact en vocht aangeeft. Behuizingen met een IP-code hoger dan IP21 voorkomen letsel door aanraking. In sommige landen, zoals Duitsland, gelden ook nationale voorschriften voor ongevallenpreventie (zoals BGV-A3) die moeten worden nageleefd.

    Temperatuur- en Brandgevaar

    Frequentieregelaars kunnen brandgevaar veroorzaken door oververhitting. Daarom moeten ze uitgerust zijn met een ingebouwde temperatuursensor die de werking van de regelaar stopt als de koelvoorziening uitvalt. Het is belangrijk dat de regelaar ook bescherming biedt tegen onvoorziene herstarten van de motor, bijvoorbeeld wanneer timers in de frequentieregelaar zijn ingeschakeld of wanneer er temperatuurbeperkingen worden bewaakt.

    Noodstop

    Afhankelijk van de toepassing kan het noodzakelijk zijn om een noodstopschakelaar in de buurt van de motor te installeren. Deze schakelaar kan worden geplaatst in de netvoedingslijn of de motorkabel, en kan worden gebruikt zonder de frequentieregelaar of de motor te beschadigen. Een noodstop is een belangrijke veiligheidsmaatregel om in geval van storingen of gevaarlijke situaties snel de stroom uit te schakelen.

    Samenvatting van Belangrijke Veiligheidsmaatregelen:

    1. Beveiliging tegen elektrische schokken via basis- en foutbeveiliging.
    2. Galvanische scheiding tussen stuur- en vermogenscomponenten om gevaarlijke spanningen te vermijden.
    3. Behuizing moet voldoen aan de juiste IP-code om aanraking van geëlektrificeerde delen te voorkomen.
    4. Temperatuurbeveiliging door ingebouwde sensoren die oververhitting detecteren en de werking van de regelaar stoppen.
    5. Noodstop-schakelaar voor snelle uitschakeling in geval van nood, afhankelijk van de toepassingsspecificaties.

    Deze maatregelen moeten tijdens het ontwerp, de installatie en het onderhoud van frequentieregelaars worden overwogen om de veiligheid van zowel gebruikers als apparatuur te waarborgen.

    2. Netvoedingssystemen

    Netvoedingssystemen kunnen op verschillende manieren worden geaard, met elk systeem dat specifieke voor- en nadelen heeft. De keuze van het aardingssysteem beïnvloedt de veiligheid en elektromagnetische compatibiliteit (EMC) van de installatie. De IEC 60364 maakt onderscheid tussen drie hoofdaardingssystemen: TN, TT en IT. Elk van deze systemen heeft zijn eigen karakteristieken:

    TN-systeem (Terra-Neutral)

    • TN-S: De nul- en PE-geleider (protective earth) zijn gescheiden. Dit systeem biedt goede EMC-prestaties, vooral voor toepassingen met frequentieregelaars, doordat er geen storende effecten zijn van stroom door de N-geleider op de PE-geleider. De lage impedantie van de aardverbinding maakt het mogelijk om kortsluitingen snel te onderbreken zonder een RCD (Reststroomapparaat).
    • TN-C: Hier worden de nul- en PE-geleiders gecombineerd tot een PEN-geleider. Dit systeem kan storingen veroorzaken bij elektronische apparatuur, zoals frequentieregelaars, door het spanningspotentieel dat ontstaat tussen aarde en het chassis van aangesloten apparatuur. Dit maakt het TN-C-systeem minder geschikt voor EMC-gevoelige toepassingen.
    • TN-C-S: Dit systeem is een hybride van TN-C en TN-S, waarbij PE en N van elkaar gescheiden zijn binnen het gebouw, maar gezamenlijk zijn van de transformator tot het verdeelpunt. Dit vermindert de nadelen van het TN-C-systeem.

    TT-systeem
    In het TT-systeem is de PE-verbinding bij de verbruiker lokaal geregeld via een aardelektrode. Dit systeem heeft goede EMC-eigenschappen omdat het hoogfrequente stromen in de PE-circuit van laagfrequente stromen in de N-geleider scheidt. Het is ideaal voor toepassingen zoals telecommunicatie, maar het brengt het risico met zich mee dat de zekeringen bij kortsluitingen mogelijk niet snel genoeg reageren. Dit kan worden opgelost door gebruik van een RCD.

    IT-systeem
    Dit systeem wordt vooral gebruikt in industriële omgevingen, schepen en ziekenhuizen, waar de transformator ongeaard is en de fasen “zweven”. Dit maakt het mogelijk om de werking voort te zetten na een aardfout, maar de EMC-prestaties zijn slecht. Storingen in de aardverbinding kunnen het hele systeem beïnvloeden en interferentie veroorzaken, vooral in elektronische apparatuur. Bij gebruik van frequentieregelaars moeten speciale maatregelen worden getroffen om aardstromen te voorkomen.

    Hoekgeaard netwerk
    Dit is een verouderd systeem waarbij één hoek van de transformator in een driehoekssysteem geaard is. Dit systeem wordt zelden nog gebruikt, vanwege de voorkeur voor driehoek-stertransformatoren. Het voordeel is dat het de spanning van de andere fasen stabiliseert, maar het vereist speciale voorzorgsmaatregelen bij het gebruik.

      Conclusie

      De keuze van het aardingssysteem hangt af van de specifieke eisen van de installatie, zoals veiligheid, EMC-vereisten en het type apparatuur. Elk systeem heeft zijn eigen toepassing, en een juiste keuze zorgt voor optimale werking en bescherming tegen elektrische gevaren.

      3. DC-Voedingssystemen

      In de norm IEC 60364-1 worden DC-distributiesystemen gedefinieerd op een vergelijkbare manier als AC-systemen. Er zijn verschillende aardingssystemen voor DC-systemen, die voornamelijk afhankelijk zijn van hoe de polariteit of het middelpunt van de voeding wordt geaard en hoe de beschermende geleiders worden geïmplementeerd. De belangrijkste systemen zijn:

      TN-S-systeem (Terra-Neutral Separate)

      • In dit systeem wordt de polariteit of het middelpunt van de voeding direct geaard. De blootgestelde geleidende delen zijn verbonden met hetzelfde geaarde punt. Er wordt een afzonderlijke beschermende geleider gebruikt. De geaarde lijngeleider (of middendraadgeleider) en de beschermende geleider zijn gescheiden.

      TN-C-systeem (Terra-Neutral Combined)

      • Ook hier wordt de polariteit of het middelpunt van de voeding direct geaard, en de blootgestelde geleidende delen zijn verbonden met hetzelfde geaarde punt. Het verschil is dat de functies van de geaarde lijngeleider (of middendraadgeleider) en de beschermende geleider gecombineerd worden in één enkele PEN-geleider voor het hele systeem.

      TN-C-S-systeem (Hybride TN-C en TN-S)

      • In dit systeem wordt de polariteit van de voeding direct geaard en de blootgestelde geleidende delen zijn verbonden met hetzelfde geaarde punt. De geaarde lijngeleider en beschermende geleider zijn in delen van het systeem gecombineerd in één PEN-geleider, maar gescheiden in andere delen van het netwerk (zoals in het TN-S-systeem).

      TT-systeem (Terra-Terra)

      • Dit systeem heeft twee elektrisch gescheiden geaarde opstellingen. De polariteit van het systeem en de blootgestelde geleidende delen worden verbonden met deze twee verschillende aardingspunten. Indien nodig kan het middelpunt van de voeding met aarde worden verbonden.

      IT-systeem (Isolated-Terra)

      • In dit systeem is de voedingsbron niet geaard. De blootgestelde geleidende delen zijn wel verbonden met hetzelfde geaarde punt. Dit systeem wordt vaak gebruikt in omgevingen waar continuïteit van de voeding essentieel is, zoals in ziekenhuizen of kritieke industriële toepassingen.

        Conclusie

        De keuze van het aardingssysteem in een DC-distributiesysteem beïnvloedt de veiligheid en werking van de installatie. Elk systeem heeft specifieke toepassingen en eigenschappen die de veiligheid en EMC-prestaties bepalen. In de meeste gevallen wordt gekozen voor een systeem dat zowel de bescherming tegen elektrische schokken als een betrouwbare werking van de installatie waarborgt.

        4. Aardfoutbeveiliging

        Aardfoutbeveiliging is essentieel om zowel de persoonlijke veiligheid (bescherming tegen elektrische schokken) als de veiligheid van apparatuur (bescherming tegen oververhitting en brand) te waarborgen. Aardlekstromen, veroorzaakt door een aantasting van de scheiding tussen spanningvoerende delen en het chassis, kunnen gevaarlijk zijn. Extra beveiliging wordt vaak toegepast afhankelijk van lokale voorschriften, industrienormen en wettelijke vereisten. Twee veelgebruikte methoden voor extra bescherming zijn foutspanningsrelais (FU-relais) en aardlekschakelaars (RCCB).

        Foutspanningsrelais (FU-relais)

        Dit type beveiliging is vooral nuttig in situaties waarin aarding niet toegestaan is. Het werkt door een relaisinductor aan te sluiten tussen de aardklem van de frequentieregelaar en het aardingspunt van het systeem. Bij een foutspanning valt het relais af, waardoor de netvoeding naar de frequentieregelaar wordt onderbroken. Hoewel dit een mogelijke oplossing is, wordt het gebruik ervan zelden toegepast en is het vaak afhankelijk van de goedkeuring van het elektriciteitsbedrijf.

        Aardlekbeveiliging met Aardlekschakelaar (RCCB)

        Een aardlekschakelaar (ook wel reststroomapparaat, RCD, genoemd) detecteert lekstromen door middel van een somstroomtransformator. Deze transformator meet de som van de stromen die door de voedingsgeleiders lopen. Als de som nul is, betekent dit dat er geen lekstroom is. Bij lekstroom, bijvoorbeeld door een aardfout, zal de som niet nul zijn en een stroom opwekken in de secundaire wikkeling van de transformator, waardoor het relais uitschakelt en de netvoeding wordt onderbroken.

        • Conventionele RCCB’s kunnen echter alleen AC-stromen detecteren en zijn daarom niet geschikt voor systemen met DC-lekstroom, zoals bij frequentieregelaars met B6-ingangsbruggelijkrichters. In zulke gevallen is het noodzakelijk om een RCD van type B te gebruiken, die zowel AC- als DC-reststromen kan detecteren voor betrouwbare bescherming.

        Specifieke Overwegingen voor Aardlekbeveiliging

        Bij het gebruik van RFI-filters (voor interferentieonderdrukking) in combinatie met frequentieregelaars kunnen lekstromen ontstaan door de common-modecondensatoren. De lekstroom is meestal klein (enkele milliampères), maar bij meerdere of grotere filters kan de totale lekstroom oplopen tot het niveau waarop de RCD zou uitschakelen. Dit vereist een versterkte aarding:

        • Als de lekstroom groter is dan 3,5 mA, moet de dwarsdoorsnede van de PE-geleider (Protective Earth) minimaal 10 mm² zijn.
        • Indien de lekstroom kleiner is, kan de apparatuur worden geaard met twee afzonderlijke PE-geleiders (versterkte aarding).

        Conclusie

        Aardfoutbeveiliging is een cruciaal aspect van elke elektrische installatie, vooral wanneer frequentieregelaars en andere apparatuur met lekstromen in het spel zijn. Het gebruik van foutspanningsrelais en aardlekschakelaars (RCCB’s) biedt belangrijke bescherming tegen elektrische schokken en brand. Bij frequentieregelaars moeten extra maatregelen, zoals het gebruik van type B RCD’s en versterkte aarding, worden overwogen, vooral wanneer er lekstromen van DC of AC kunnen optreden door filters en andere componenten.

        5. Zekeringen en Circuitbreakers

        Om de veiligheid van frequentieregelaars en bijbehorende installaties te waarborgen, moeten ze beschermd worden tegen kortsluiting en overstroom. Dit gebeurt door gebruik te maken van overstroombeveiliging, zoals zekeringen of circuitbreakers. De keuze tussen deze beveiligingsmiddelen hangt af van de specifieke vereisten en voorschriften.

        Zekeringen

        Een zekering onderbreekt de stroom wanneer deze te hoog wordt, om schade aan de apparatuur te voorkomen. Een zekering is gekarakteriseerd door:

        • Nominale stroom: de stroom die de zekering continu kan dragen.
        • Snelheid: hoe snel de zekering reageert op een te hoge stroom (bijvoorbeeld bij kortsluiting).

        De snelheid van de zekering is afhankelijk van de stroomsterkte: hoe groter de stroom, hoe sneller de zekering zal doorsmelten. Dit wordt aangegeven met een tijd-stroomkarakteristiek.

        Voor de bescherming van frequentieregelaars worden vaak aR-zekeringen gebruikt, die specifiek zijn voor halfgeleiderbeveiliging, om schade door kortsluiting of falen van interne componenten te voorkomen. In sommige gevallen kunnen gG-zekeringen voor algemeen gebruik worden toegepast. Het is belangrijk om de aanbevelingen van de fabrikant van de frequentieregelaar te volgen, aangezien de zekeringen specifiek getest zijn voor gebruik met die apparatuur.

        Circuitbreakers

        In tegenstelling tot zekeringen, die vervangen moeten worden na activering, kunnen circuitbreakers (elektromechanische schakelaars) worden gereset na activering. Ze zijn echter vaak trager dan zekeringen, wat kan leiden tot grotere schade (zoals oververhitting en brandgevaar) als ze niet snel genoeg reageren.

        Niet alle frequentieregelaars zijn ontworpen voor gebruik met circuitbreakers, dus het is essentieel om de specifieke vereisten van de frequentieregelaar te raadplegen voordat je een circuitbreaker kiest.

        Er zijn verschillende types circuitbreakers die in frequentieregelaarinstallaties gebruikt kunnen worden:

        • Luchtcircuitbreakers (ACB): Deze kunnen hoge spanningen en stromen onderbreken (tot 6 kA) en worden vaak gebruikt als hoofdbeveiliging in schakelkasten. Ze zijn trager dan zekeringen, dus worden vaak gecombineerd met ultrasnelle zekeringen voor de bescherming van de frequentieregelaars.
        • Gegoten behuizingscircuitbreakers (MCCB): Deze zijn geschikt voor lagere spanningen en stromen (tot 1 kA) en worden vaak gebruikt in kleinere toepassingen of als beveiliging tegen overbelasting en kortsluiting van frequentieregelaars.
        • Minicircuitbreakers (MCB): Geschikt voor het beschermen van laagvermogencircuits (tot 100 A). Ze worden vooral gebruikt in hulp- en stuurcircuits. De uitschakelstroom is vaak beperkt tot 6 kA.

        Belangrijke Overwegingen

        Het is cruciaal om de documentatie van de specifieke frequentieregelaar te raadplegen voor de aanbevolen beveiligingsmiddelen, zowel voor zekeringen als voor circuitbreakers. De geselecteerde componenten moeten goed overeenkomen met de beveiligingsvereisten van de frequentieregelaar, aangezien de zekeringen en circuitbreakers samen met de frequentieregelaar zijn getest voor optimale werking en bescherming.

        6. DC-beveiliging voor Common DC Bus-systemen

        In Common DC Bus-systemen, waarbij meerdere inverters zijn aangesloten op dezelfde DC-bus, is selectiviteit de belangrijkste uitdaging bij de beveiliging tegen kortsluitingen. Het doel is dat slechts de zekeringen die direct verband houden met de kortsluiting doorbranden, terwijl andere belangrijke apparatuur in hetzelfde systeem, die niet direct bij de kortsluiting betrokken is, blijft functioneren.

        Problemen bij kortsluiting:

        • Condensatoren in de inverters leveren in de eerste 100-200 μs na de kortsluiting stroom aan de fout, wat het moeilijk maakt om selectiviteit te waarborgen als alleen zekeringen worden gebruikt. Dit komt doordat condensatoren heel snel kunnen reageren en stroom kunnen leveren, waardoor ze mogelijk de zekeringen van andere niet-foutgevoelige apparatuur in hetzelfde systeem activeren.

        Oplossing voor verbeterde selectiviteit:

        • Scheiding van het systeem in twee afzonderlijke DC-bussen kan de selectiviteit verbeteren. Dit kan worden bereikt door gebruik te maken van een snelstroomonderbreker/DC-buskoppelapparaat.
        • Danfoss Drives heeft een oplossing ontwikkeld, de VACON® DCGuard, die twee DC-bussen met hetzelfde spanningsniveau met elkaar verbindt. Wanneer er een kortsluiting optreedt, zorgt de DCGuard ervoor dat de onbeschadigde DC-bus wordt losgekoppeld van de bus met de kortsluiting, voordat de fout de onbeschadigde bus beïnvloedt. Dit zorgt ervoor dat de onbeschadigde zijde van het systeem normaal kan blijven werken, zelfs na een kortsluiting.

        Voordeel van de VACON® DCGuard:

        • De VACON® DCGuard verbetert de selectiviteit door snel de bus met de fout af te koppelen van de rest van het systeem, waardoor de werking van de onbeschadigde apparatuur behouden blijft. Dit verhoogt de betrouwbaarheid en stabiliteit van het Common DC Bus-systeem.

        Illustratie: Het systeem toont hoe de VACON® DCGuard selectiviteit waarborgt door snel in te grijpen bij kortsluiting, zodat de schade beperkt blijft.