Izzivi in rešitve pri krmiljenju enosmernega tokokroga
Če se je nekoč spor med Teslo in Edisonom, kateri tok je "boljši" - enosmerni ali izmenični, zdel nepremostljiv, se danes vse pogosteje srečujemo mešanico teh dveh tokokrogov. To še posebej velja za sodobne obnovljive vire energije, kot so PV sistemi ali sistemi za shranjevanje energije. Čeprav so danes tokokrogi dobro razumljeni in je na voljo poplava komponent in rešitev za AC sisteme, pa še vedno obstajajo vrzeli in dvomi pri pravilnem projektiranju visokoenergijskih enosmernih tokokrogov.
![]() | Aleksander Cilenšek Produktni vodja |
V DC aplikacijah, kot so sistemi za shranjevanje energije ali fotovoltaični sistemi, se običajno srečujemo tudi z bremenskimi ločilnimi stikali za enosmerne tokokroge. Mednarodni standard IEC 60364-7-712 zahteva napravo za izklop inverterja z obeh strani. Še več, ta standard izrecno zahteva, da se na enosmerni strani PV inverterja uporabi ločilno stikalo. Slednje omogoča izklop in zanesljivo izolacijo inverterja od vseh enosmernih virov. Dodatne stikalne naprave pa se lahko uporablja za izklapljanje posameznih PV nizov, za ozemljitev sistema ali za preklapljanje tokokrogov za shranjevanje energije.
Kaj pomeni izraz bremensko ločilno stikalo, najlažje razložimo s pomočjo standarda IEC 60947-3, Stikala, ločilniki in ločilna stikala. Stikalo je mehanska naprava, ki omogoča sklenitev, prekinitev in prevajanje električnega toka v normalnih pogojih uporabe. Stikalo mora biti zmožno prenesti vklop v kratkem stiku, ne pa tudi izklop. Nadalje v standardu najdemo definicijo za ločilno stikalo, ki pravi, da je to stikalo, ki v poziciji izklopa izpolnjuje zahteve za ločilnik. Ločilnik je mehanska naprava, ki v poziciji izklopa ustreza zahtevam izolacije. Če povzamemo, bremensko ločilno stikalo je mehanska naprava, ki omogoča vklapljanje in izklapljanje bremen v normalnih (nazivnih) pogojih obratovanja, medtem ko pri izklopu zagotavlja zadostno razdaljo med kontakti za funkcijo izolacije, kar zagotavlja zanesljiv izklop dela inštalacije od vira napetosti in s tem varnost uporabnika. Po definiciji ločilnega stikala pridemo tudi do simbola IEC, prikazanega na spodnji sliki:
Simbol IEC za bremensko ločilno stikalo
stikalo + | ločilnik = | ločilno stikalo |
![]() | ![]() | ![]() |
Glavna električna parametra za izbiro stikala pri posamezni aplikaciji sta nazivna delovna napetost Ue in nazivni delovni tok Ie. Pri večpolnih stikalih je napetost Ue definirana kot medfazna napetost, medtem ko se tok Ie določi glede na kategorijo uporabe (angl. utilization category), ki definira tip bremena in pogostost operacij (vklop/izklop). Tako so stikala označena z AC za kategorijo za izmenične tokokroge in z DC za kategorijo za enosmerne tokokroge, sledi številčna oznaka, ki označuje tip bremena (aplikacija), na koncu pa oznaka A ali B opredeljuje pogostost uporabe. Z A so označena stikala za pogostejšo uporabo, medtem ko B pomeni manj pogosto uporabo. Pogostost uporabe je definirana v odvisnosti od Ie in je podana za število operacij na uro, število operacij v celotni življenjski dobi glede na delovanje z Ie in brez obremenitve. Na primer, pri stikalih z nazivnim delovnim tokom do 100 A pogostost uporabe A znaša skupno število operacij z obremenitvijo Ie in brez obremenitve 10.000 ciklov, za B pa 2.000 ciklov, medtem ko je število operacij na uro omejeno na 120.
Oblika signala | Pogostost uporabe | Tip bremena (aplikacija) | |
A | B | ||
DC (enosmerni) | DC-20A | DC-20B | Vklop in izklop brez obremenitve |
DC-21A | DC-21B | Preklapljanje ohmskih bremen, vključno z zmernimi preobremenitvami | |
DC-22A | DC-22B | Preklapljanje mešanih ohmskih in induktivnih bremen, vključno z zmernimi preobremenitvami |
Najpomembnejše kategorije uporabe DC
Najbolj značilna kategorija uporabe v PV in baterijskih sistemih je DC-21 B, kar pomeni, da veljajo za neinduktivna bremena, možne preobremenitve v teh aplikacijah so zmerne, vklopi in izklopi, izvedeni s stikalno napravo, pa redki. Vklopna in izklopna zmogljivost ločilnih stikal te kategorije uporabe se testira v tokokrogu s časovno konstanto (L / R) v višini 1 milisekunde, pri testnem toku 1,5-krat večjem od nazivnega delovnega toka Ie naprave.
Med drugim srečamo tudi pojme, kot so nazivna izolacijska napetost Ui, termični tok Ith, kratkostični vklopni tok (brez varovalk) Icm, kratkostični izklopni tok Icn, mehanske lastnosti, vzdržljivost, največja dovoljena moč upravljanih bremen (kW) itd.
Na karakteristike stikala vplivajo tako tehnologija (mehanizem) kot tudi izbor materialov. Za samo ohišje se po navadi uporabljajo umetne mase, ki morajo zdržati določeno stopnjo negorljivosti, preskus z žarečo žico 960 ⁰C, saj je to izolacijski del naprave, ki je v stiku s tokovodečimi deli. Nekateri proizvajalci zagovarjajo tudi pomen same barve ohišja, saj naj bi bili pri belem ohišju prej vidni znaki pregrevanja, kot so potemnitev, porumenelost ali pa rjave lise.
Zelo pomemben je izbor kontaktnih in drugih prevodnih delov stikala, tako zunanjih kot notranjih, veliko se uporabljata aluminij in baker v kombinaciji z drugimi kovinami, kot so srebro, nikelj in kositer. Ker pa kovine zelo rade oksidirajo, to pomeni slab spoj in s tem pregrevanje, kar se rešuje z uporabo samočistilnih kontaktov, tako kontaktni del ob vklopu zaradi grobe površine in zdrsa očisti okside s kontaktne površine in omogoči boljše prevajanje toka. Seveda vrsta in količina izbranih materialov zelo vplivata na končno ceno izdelka, zato tudi tu proizvajalci vedno iščejo kompromise in skušajo ohraniti konkurenčnost, kar pa neposredno vpliva na kakovost in življenjsko dobo izdelka.
Razlike med proizvajalci stikal se v sami tehnologiji in mehanizmu stikala sicer pojavljajo, vseeno pa sta najpogostejši tehnologiji:
- pritisni kontakt ali kontaktorski tip, kjer ob vklopu en del kontakta pritisne na drugega,
- drsni kontakt, kjer je v stikalu drsni mehanizem, lahko je rotacijski ali pa pomični, kontaktna os, slika spodaj
Pri obeh tehnologijah je stikalo v notranjosti razdeljeno na fiksni in gibljivi del kontakta. Fiksni del je neposredno vezan na zunanje kontakte, gibljivi del kontakta pa je preko ročice povezan z vzmetnim mehanizmom, ki omogoča ustrezen pritisk med kontaktnimi površinami in pravilno hitrost premikanja oziroma razdaljo pri vklopu in izklopu, kar je pomembno pri gašenju električnega obloka, ki neposredno vpliva na degradacijo kontaktov in življenjsko dobo stikala. Pri stikalih za večje moči in enosmernih stikalih se tako velikokrat za gašenje električnega obloka na kontaktnem delu uporablja tudi gasilna komora.
Obe tehnologiji preklapljanja zagotavljata dvojno prekinjanje tokokroga na pol, kar pomeni, da stikalo vklopi in izklopi v dveh točkah, kar omogoča varnejše delovanje in daljše razdalje za zagotovitev izolacijske funkcije.
Pri enosmernih tokokrogih pa se stvari malo zapletejo. Medtem ko imamo pri izmeničnem tokokrogu vedno 10ms prehod toka skozi nič (sinus 50Hz), je pri enosmernem tokokrogu tok stalen. Zato se pojavi težava s prekinitvijo obloka – ta se pri AC prekine samodejno (prehod skozi nič), pri DC-ju pa ga je potrebno prekiniti posebej. To lahko storimo s pomočjo povečanja razdalje ali s pregrado. Zato je večina PV stikal na trgu večpolnih, z zaporedno vezanimi poli, kar poveča razdaljo za prekinitev obloka. Višja kot je napetost, večje mora biti število polov. Pri bremenskih ločilnih stikalih LBS DC je napetost porazdeljena v višini 500 V na pol; torej je za napetost 1000 V DC primerno 2-polno stikalo, medtem ko moramo pri 1500 V DC uporabiti 3-polno stikalo. Pri tako visokih napetostih so pomembne tudi plazilne razdalje, da ne pride do preboja med poli. Zato je pri stikalih LBS DC razdalja med poli povečana na ne samo 25 mm, kot zahteva standard IEC, ampak na 53 mm, s čimer ta stikala ustrezajo tudi UL zahtevam (povpraševanje po 50 mm razdalji).
a) 2 zaporedno vezana pola (500V/pol), b) 4 zaporedno vezani poli (250V/pol) , c) 3 zaporedno vezani poli (500V/pol)