Tehnički opis, specifikacije i proračuni

Tehnički opis: svrha i sadržaj

Električne sheme, montažni pogled i popisi odgovaraju na pitanje kako je oprema izvedena. Na pitanja zašto baš tako i je li to dovoljno odgovara tekstualni dio dokumentacije: tehnički opis, tehničke specifikacije i proračuni. Bez njih ni stručnjak koji preuzima održavanje ni ispitivač koji provjerava sukladnost ne može iz sheme zaključiti je li zaštitni prekidač -Q1 odabran s mjerom ili nasumce.

Tehnički opis piše se tako da ga razumije netko tko projekt nije radio. Uobičajeni slijed poglavlja je:

1. Namjena i opseg — što sustav radi i što dokumentacija obuhvaća (za PS-1: električna oprema upravljačkog ormarića =PS1+ORM i ožičenje osi; programska oprema upravljača opisuje se zasebno).
2. Opis funkcije — način rada, vrste rada (ručno, automatski, traženje referentne točke), zaustavljanje u nuždi, ponašanje pri nestanku i povratku napona.
3. Napajanje i zaštita — napon, frekvencija, sustav uzemljenja mreže, priključna snaga, zaštita od električnog udara (automatsko isključenje napajanja na strani 230 V, zaštitni mali napon 24 V DC iz izvora sa sigurnim odvajanjem).
4. Uvjeti okoline — temperatura okoline, vlažnost, stupanj zaštite kućišta po IEC 60529 (IP oznaka), elektromagnetska okolina.
5. Primijenjene norme — npr. IEC 60204-1 za električnu opremu strojeva, IEC 61439 za sklopne blokove, IEC 81346 i IEC 61082 za označavanje i dokumente, uz napomenu da se primjenjuje važeće izdanje.
6. Proračuni — zagrijavanje, selektivnost, presjeci vodiča, pad napona.
7. Popis priloga — sheme, popisi, specifikacije, tehnički listovi ugrađene opreme.

Stil je činjeničan i provjerljiv: „napajanje 230 V AC, 50 Hz, jednofazno, priključna snaga do 250 VA", a ne „napajanje iz mreže odgovarajuće snage". Svaka tvrdnja koja ima broj treba imati i izvor: tehnički list, proračun ili mjerenje.

Tehničke specifikacije uređaja i opreme

Tehnička specifikacija je tablični popis zahtjeva koje oprema mora ispuniti. Razlikuje se od sastavnice: sastavnica kaže što je ugrađeno (proizvođač i kataloška oznaka), a specifikacija kaže što mora biti ispunjeno, pa se po njoj može nabaviti i zamjenski uređaj drugog proizvođača. Za svaki element navode se samo mjerodavni podaci, oni koji utječu na funkciju, sigurnost ili proračun.

Zagrijavanje ormara: gubici snage i dopuštena temperatura

Svaki element u ormaru dio električne snage pretvara u toplinu. Napajanje -G1 gubi razliku između ulazne i izlazne snage, upravljač motora -T1 gubi u izlaznim tranzistorima, upravljač -A1 u elektronici, a zaštitni prekidač, osigurač, relej, stezaljke i vodiči na svojim otporima. Gubici se uzimaju iz tehničkih listova, a za napajanje se mogu izračunati iz stupnja korisnosti η:

P_gub = P_izl · (1/η − 1)

Za -G1 opterećen sa 3 A pri 24 V (P_izl = 72 W) i η = 0,88 dobiva se 72 · (1/0,88 − 1) ≈ 9,8 W, tj. oko 10 W. To je više nego što mnogi očekuju: napajanje je često najveći izvor topline u malom ormaru.

Toplina izlazi kroz stijenke ormara. U pojednostavnjenom proračunu uzima se da je predana snaga razmjerna površini stijenki koje predaju toplinu i razlici temperatura unutra i vani:

ΔT = P / (k · A)     T_i = T_ok + ΔT

Ovdje je P zbroj gubitaka u W, A djelotvorna površina u m², a k koeficijent prolaza topline stijenke u W/(m²·K). Za limeni ormar uzima se k ≈ 5,5 W/(m²·K), za plastični se u literaturi navodi manja vrijednost, oko 3,5 W/(m²·K); obje su orijentacijske. Kod zidne montaže stražnja stijenka naliježe na zid i ne računa se, pa je za ormar visine V, širine Š i dubine D:

A = Š · V + 2 · Š · D + 2 · V · D

Točniji postupak s faktorima za pojedine plohe i načine postavljanja opisan je u tehničkom izvješću IEC TR 60890; pojednostavnjeni proračun dovoljan je za procjenu i odabir veličine malog ormara.

Dopuštena temperatura unutar ormara određuje se prema najosjetljivijem ugrađenom elementu: u tehničkim listovima napajanja, upravljača i upravljača motora navedena je radna temperatura okoline uređaja, često uz smanjenje opterećenja iznad neke granice. Norma za električnu opremu strojeva kao uobičajeni radni raspon temperature okoline opreme navodi +5 °C do +40 °C. Za PS-1 kao projektnu odluku uzimamo T_dop = 40 °C u ormaru pri temperaturi pogona 30 °C. Preporuka iz prakse je da unutarnja temperatura bude što niža i kad podaci dopuštaju više: gruba inženjerska procjena kaže da svakih 10 K više približno prepolovi vijek elektrolitskih kondenzatora u napajanjima.

Selektivnost zaštite

Zaštita je selektivna kad pri kvaru isključi samo zaštitni uređaj neposredno ispred mjesta kvara, a nadređeni ostaju uključeni. Ako kratki spoj u kabelu senzora -B1 isključi cijeli ormarić umjesto samo strujnog kruga senzora, stroj stane, nestanu i signali za dijagnostiku, a serviser mora tražiti kvar po cijelom sustavu.

Ponašanje zaštitnog uređaja opisuje vremensko-strujna karakteristika: za svaku struju ona daje vrijeme do isključenja. Crta se u logaritamskom mjerilu na obje osi, a zbog rasipanja svojstava ima oblik pojasa između najkraćeg i najduljeg vremena. Dva uređaja u nizu su selektivna ako je pojas podređenog uređaja za sve moguće struje kvara lijevo i ispod pojasa nadređenog, tj. ako se pojasevi nigdje ne preklapaju.

Za taljive osigurače iste izvedbe (npr. gG) proizvođači daju jednostavno pravilo: selektivnost je osigurana ako je omjer nazivnih struja nadređenog i podređenog barem 1,6 : 1. Za zaštitne prekidače takvo pravilo ne postoji, jer oba imaju elektromagnetski okidač koji djeluje trenutačno; selektivnost dvaju prekidača u nizu u području kratkog spoja provjerava se isključivo po tablicama selektivnosti proizvođača.

Na strani 24 V DC ormarića PS-1 vrijedi dodatno ograničenje. Napajanje -G1 ima strujno ograničenje: pri kratkom spoju daje tek nešto više od nazivnih 5 A, ovisno o izvedbi. Osigurač -F1 mora pri toj struji isključiti dovoljno brzo, inače napajanje samo prijeđe u ograničenje, napon padne, a osigurač ostane cijel. Zato se na 24 V bira osigurač male nazivne struje prema dijagramu napajanja ili elektronički zaštitni modul koji isključuje pri podešenoj struji. Na strani 230 V odabrana je karakteristika C za -Q1, jer elektromagnetski okidač karakteristike C djeluje pri 5 do 10 nazivnih struja, pa ga udarna struja pri uključenju napajanja u pravilu ne isklapa.

Provjera presjeka vodiča

Presjek vodiča ne bira se „kako se obično radi", nego se provjerava po trima uvjetima.

• Strujna opteretivost. Trajno dopuštena struja vodiča I_z ovisi o presjeku, materijalu, izolaciji, načinu polaganja, temperaturi okoline i broju opterećenih vodiča u snopu. Vrijednosti se uzimaju iz tablica norme za električne instalacije ili norme za električnu opremu strojeva i umanjuju faktorima za okolnosti.
• Usklađenost sa zaštitom. Za zaštitu od preopterećenja mora vrijediti I_B ≤ I_n ≤ I_z, gdje je I_B pogonska struja, a I_n nazivna struja zaštitnog uređaja. Uz to se provjerava da zaštita isključi kratki spoj na kraju vodiča prije nego što se vodič pregrije.
• Pad napona. Na niskom naponu 24 V i relativno mali pad napona u postotku postaje velik. Za istosmjerni krug s dovodnim i povratnim vodičem vrijedi:

ΔU = 2 · I · l / (κ · S)     κ_Cu ≈ 56 m/(Ω·mm²)

Za dovod napajanja -T1 iz -G1 sa strujom do 3 A, duljinom 1,5 m i presjekom 0,75 mm² dobiva se ΔU = 2 · 3 · 1,5 / (56 · 0,75) ≈ 0,21 V, tj. oko 0,9 % od 24 V. Za kabel motora s fazom od 2 A (primjer), duljinom 3 m i žilama 0,5 mm² pad je oko 0,43 V ili 1,8 %. Obje vrijednosti su prihvatljive. Za senzore s malom strujom pad napona nije mjerodavan, ali presjek određuju mehanička čvrstoća i najmanji presjeci koje norma za električnu opremu strojeva propisuje ovisno o mjestu polaganja i vrsti vodiča.

Kako se proračun zapisuje

Proračun u dokumentaciji mora se moći provjeriti bez autora. Zato svaki proračun ima isti oblik: zadatak (što se dokazuje), ulazni podaci s izvorom (tehnički list, mjerenje, pretpostavka), postupak s formulom i primijenjenom normom, rezultat s jedinicom i zaključak koji uspoređuje rezultat s granicom. Pretpostavke se posebno označavaju, npr. „gubici -T1 procijenjeni na 8 W pri struji faze 2 A, podatak proizvođača nije dostupan".

Kad se u izvedbi promijeni uređaj, proračuni u kojima on sudjeluje ponavljaju se. U popisu proračuna zato je korisno zapisati koji elementi ulaze u koji proračun: zamjena -G1 napajanjem slabijeg stupnja korisnosti mijenja proračun zagrijavanja, a zamjena napajanjem većeg strujnog ograničenja mijenja provjeru -F1.

Računski prikaz: porast temperature u ormariću PS-1

Prikaz zbraja gubitke napajanja -G1, upravljača motora -T1 i ostalih elemenata (-A1, -K1, -Q1, -F1, stezaljke i vodiči), računa djelotvornu površinu ormara za zidnu montažu i iz nje porast temperature. Gubici -T1 i ostalih elemenata su primjeri; u stvarnom projektu uzimaju se iz tehničkih listova.

S gubicima 10 + 8 + 9 = 27 W i najmanjim limenim ormarom 400 × 300 × 200 djelotvorna površina je 0,40 m², porast temperature 27 / (5,5 · 0,40) ≈ 12,3 K, a unutarnja temperatura oko 42,3 °C, iznad projektne granice od 40 °C. Potrebna površina za ΔT ≤ 10 K je 27 / (5,5 · 10) ≈ 0,49 m². Sljedeća veličina 500 × 400 × 200 ima 0,56 m² i daje ΔT ≈ 8,8 K, tj. oko 38,8 °C — ta se izvedba upisuje u specifikaciju kućišta. Plastični ormar iste veličine s k ≈ 3,5 W/(m²·K) dao bi oko 43,8 °C i ne bi zadovoljio bez ventilacije.

Ključni pojmovi

Provjeri se

Kratka provjera prije prelaska na sljedeću jedinicu. Odgovor se potvrđuje klikom, a obrazloženje se prikazuje odmah.