Dyrektywa niskonapięciowa dla wybranych urządzeń automatyki

W artykule przedstawiono ogólne zalecenia normalizacyjne dotyczące łączników elektronicznych do instalacji elektrycznych. Zalecenia dotyczą m.in. układów automatyki – regulatorów prędkości obrotowej silników elektrycznych, sterowanych ściemniaczy światła, łączników  elektronicznych z wbudowanym czujnikiem reagującym na temperaturę lub natężenie oświetlenia.
Dyrektywa niskonapięciowa LVD podaje wymagania związane z bezpieczną pracą urządzeń elektrycznych zasilanych napięciem wyższym od 50 V napięcia przemiennego lub 75 V napięcia stałego. Dotyczą one zastosowania właściwych rozwiązań technicznych gwarantujących ochronę użytkownika przy dotyku pośrednim i bezpośrednim zarówno w stanie normalnej pracy, jak w stanach
 
ekstremalnych – przeciążenie, zwarcie, udar mechaniczny, cieplny itd. Natomiast dyrektywa EMC [2] wymusza odpowiednią konfigurację obwodów elektronicznych zapewniającą poprawną pracę urządzeń w określonym środowisku zaburzeń. Urządzenia powinnytakże charakteryzować się określonym poziomem zaburzeń emitowanych, oddziaływujących na otoczenie w sposób niepowodujący zakłóceń pracy innych odbiorników. Projektowanie urządzeń powinno prowadzić z jednej strony do ograniczenia podatności urządzenia na zaburzenia, a z drugiej do minimalizacji zaburzeń wytwarzanych w czasie jego pracy przy utrzymaniu bezpieczeństwa eksploatacji przez użytkownika [20÷23]. Wymagania te można między innymi znaleźć w normach zharmonizowanych z dyrektywami LVD i EMC [1, 3, 4], które podają konkretne wymagania na obudowy i obwody elektryczne oraz dopuszczalne poziomy odporności i emisyjności dla różnych grup urządzeń, co ma na celu zapewnienie ich bezpiecznego i harmonijnego
współdziałania w środowisku elektromagnetycznym.
Sprawdzenie wymagań podanych przez normy zharmonizowane stanowi stosunkowo prostą metodę oceny zgodności urządzenia przez producenta, zazwyczaj współpracującego z jednostkami dysponującymi

 odpowiednią aparaturą. W takim przypadku oceny zgodności z dyrektywami LVD i EMC nie istnieje obowiązek korzystania z usług strony trzeciej – jednostki kompetentnej lub notyfikowanej.
Normy zharmonizowane są wybranymi normami technicznymi opracowanymi i ustanowionymi przez europejskie organizacje normalizacyjne i wprowadzone do systemu normalizacji krajowej w co najmniej w jednym z krajów członkowskich Unii i pozwalające producentowi urządzenia zaprojektowanego i wyprodukowanego zgodnie z zaleceniami norm zharmonizowanych korzystać z domniemania  zgodności wyrobu z wymaganiami stosownej dyrektywy, której norma dotyczy. Listę norm zharmonizowanych dla poszczególnych dyrektyw publikuje Dziennik Urzędowy Wspólnot Europejskich dostępny pod adresami internetowymi [3, 4] oraz rozporządzenie krajowe [1]. Na uwagę zasługuje strona UE [3], na której, oprócz wykazu dyrektyw i norm zharmonizowanych, można znaleźć komentarz do treści poszczególnych dyrektyw. Natomiast lista wszystkich norm krajowych również przyjętych na zasadzie uznania dokumentów europejskich w języku oryginalnym znajduje się pod adresem Polskiego Komitetu Normalizacyjnego [5].
Rys. 3. Sprawdzanie uszkadzania przewodów w urządzeniu  wykonanym wg normy PN-EN 60669-1

Ocena zgodności łączników elektronicznych w zakresie dyrektywy LVD

Łączniki elektroniczne stanowią urządzenia, w których układy  elektroniczne sterują elektromechanicznym mechanizmem stykowym lub łącznikiem półprzewodnikowym, np. sterowanym fazowo. Łączniki mogą być sterowane mechanicznie za pomocą potencjometru, przycisku lub też sygnałem z czujnika. Norma obejmuje także rozwiązania zdalnego sterowania łączników (p. 3.109 zespół elektroniczny do zdalnego sterowania [8]). Tak szeroka liczba opcji rozwiązań elementów sterowanych i wykonawczych pozwala zastosować wymienione wymagania do projektowania urządzeń pracujących w skomplikowanych układach centralnego i grupowego sterowania, np. w budynkach inteligentnych (rys. 1).
Podstawowe wymaganie podane w rozdziale 4. normy [8] wynika z postanowień dyrektyw LVD i EMC i dotyczy takiego zaprojektowania i wykonania łączników, aby podczas ich normalnego użytkowania działały niezawodnie i nie powodowały zagrożenia dla użytkownika i otoczenia, co należy sprawdzić przez wykonanie wszystkich przewidzianych w normie [8] badań; które powinny być spełnione.
 

 Część normy zawarta w rozdziałach 5÷25 i 101÷102 dotyczy dyrektywy LVD i zawiera wymagania dotyczące klasyfikacji, znakowania, sprawdzenia wymiarów oraz szeregu badań związanych z oceną bezpieczeństwa mechanicznego i elektrycznego łącznika. Istotne informacje podają rozdziały 10. i 11. dotyczące odpowiednio ochrony przed porażeniem elektrycznym i połączenia ochronnego, gdzie do oceny stosuje się odpowiednio: znormalizowany palec probierczy oraz pomiar rezystancji metodą 4-przewodową przy prądzie o wartości co najmniej 25 A (wymaganie – rezystancja połączenia ochronnego mniejsza niż 0,05  rys. 2).
Badanie zacisków gwintowych (rozdział 12. w [8]) wymaga odpowiedniego oprzyrządowania – wkrętaka dynamometrycznego oraz specjalnych urządzeń do sprawdzania uszkadzania (rys. 3) i wyciągania przewodów. Rozdziały 13. i 14. [8] podają wymagania konstrukcyjne oraz dotyczące mechanizmu łącznika. Określenie odporności na starzenie, szkodliwe wnikanie wody i wilgoć (rozdział 15. w [8]) wymaga komory klimatycznej oraz urządzenia do badania stopnia ochrony przed wnikaniem ciał stałych i wody.
Po tygodniowym przebywaniu łącznika w temperaturze 20÷30OC przy
wilgotności 95% bada się zgodnie z rozdziałem 16. [8] rezystancję izolacji przy napięciu 500 V (rys. 4.) oraz wytrzymałość elektryczną przy napięciu przemiennym 2 kV, 3 kV lub 4 kV w zależności od badanego układu.

Następnie mierzy się rozkład temperatury w różnych częściach urządzenia i na tej podstawie wyznacza się dopuszczalne przyrosty temperatury (rozdział 17. [8]). Rozdziały 18. i 19. dotyczą badania zdolności załączania i wyłączania oraz trwałości, czyli utrzymania właściwości funkcjonalnych po przejściu określonej liczby cykli łączeniowych. Kolejne rozdziały normy [8] dotyczą odpowiednio:        20. – wytrzymałości mechanicznej, 21. – odporności na wysoką temperaturę (100OC i 125OC przez 1 godzinę), 22. – wkrętów i połączeń, 23. – odstępów izolacyjnych i powierzchniowych (odpowiednie CTI – wskaźnik odporności na prądy pełzające materiału płytki drukowanej), 24. – odporności materiału izolacyjnego na wysoką temperaturę, żar i prądy pełzające, 25. – odporności na korozję, 26. – wymagań EMC, 101. – warunków nienormalnych, 102.  podzespołów i elementów.

Spis norm/dyrektyw/obwieszczeń

 

[1] Obwieszczenie Prezesa Polskiego Komitetu Normalizacyjnego z dnia 17 października 2005 r. w sprawie wykazu norm zharmonizowanych, (Monitor Polski nr 75 z 2005, poz. 1053).
[2] Dyrektywa Rady nr 89/336/EWG z dnia 3 maja 1989 r. w sprawie zbliżenia praw państw członkowskich dotyczących kompatybilności elektromagnetycznej (OJ L 139, 23.05.89) z późniejszymi zmianami 92/31/EWG, 93/68/EWG.
[3] Strona internetowa norm zharmonizowanych z dyrektywą              EMC – http://europa.eu.int/comm/enterprise/newapproach/
standardization/harmstds/reflist/emc.html.
[4] Strona internetowa Urzędu Dozoru Technicznego                           – www.udt.gov.pl.
[5] Strona internetowa Polskiego Komitetu Normalizacyjnego
www.pkn.com.pl.
[6] PN-EN 55014-1: 2004, Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) – Wymagania dotyczące przyrządów powszechnego użytku, narzędzi elektrycznych i podobnych urządzeń – Część 1: Emisja zaburzeń elektromagnetycznych – Norma grupy wyrobów.
[7] Dyrektywa nr 73/23/EWG z dnia 19 lutego 1973 r. w sprawie harmonizacji prawa państw członkowskich dotyczącego sprzętu elektrycznego zasilanego w określonym przedziale napięć (OJ L 77, 26.03.73).
[8] PN- EN 60669-2-1: 2005 (U), Wyłączniki do zastosowań domowych i podobnych stałych instalacji – Wymagania szczegółowe – Łączniki elektroniczne.
[9] PN–EN 60730-1: 2002, Automatyczne regulatory elektryczne do użytku domowego i podobnego. Część 1.; Wymagania ogólne.
[10] PN-EN 61000-3-2: 2004, Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) – Dopuszczalne poziomy emisji harmonicznych prądu (fazowy prąd zasilający odbiornika mniejszy lub równy 16 A).
[11] PN-EN 61000-3-3: 1997, Kompatybilność elektromagnetyczna – Dopuszczalne poziomy – Ograniczanie wahań napięcia i migotania światła powodowanych przez odbiorniki o prądzie znamionowym < lub = 16 A w sieciach zasilających niskiego napięcia.
[12] PN-EN 61000-4-1: 2003, Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) – Część 4-1: Metody badań i pomiarów – Przegląd serii norm IEC 61000-4.
[13] PN-EN 61000-4-2: 1999, Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) – Metody badań i pomiarów – Badanie odporności na wyładowania elektrostatyczne – Podstawowa publikacja EMC.          [14] PN-EN 61000-4-3: 2003 (U), Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) – Część 4-3: Metody badań i pomiarów – Badanie odporności na pole elektromagnetyczne o częstotliwości radiowej.
[15] PN-EN 61000-4-4: 2005, Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) – Metody badań i pomiarów – Badanie odporności na serie szybkich elektrycznych stanów przejściowych – Podstawowa publikacja EMC.
[16] PN-EN 61000-4-5: 1998, Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) – Metody badań i pomiarów – Badanie odporności na udary.
[17] PN-EN 61000-4-6: 1999, Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) – Metody badań i pomiarów – Odporność na zaburzenia przewodzone, indukowane przez pola o częstotliwości radiowej.
[18] PN-EN 61000-4-11: 2005, Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) – Metody badań i pomiarów – Badania odporności na zapady napięcia, krótkie przerwy i zmiany napięcia.
[19] PN-EN 61000-4-27: 2004, Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) – Część 4-27: Metody badań i pomiarów – Badanie odporności na asymetrię napięcia.
[20] PN-EN 61000-6-1: 2004, Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) – Część 6-1: Normy ogólne – Wymagania dotyczące odporności w środowisku mieszkalnym, handlowym i lekko uprzemysłowionym.
[21] PN-EN 61000-6-2: 2003, Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) – Część 6-2: Normy ogólne – Wymagania dotyczące odporności w środowisku przemysłowym.
[22] PN-EN 61000-6-3: 2004, Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) – Część 6-3: Normy ogólne – Wymagania dotyczące emisyjności w środowisku mieszkalnym, handlowym i lekko uprzemysłowionym.
[23] PN-EN 61000-6-4: 2004, Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) – Część 6-4: Normy ogólne – Wymagania dotyczące emisyjności w środowisku przemysłowym.


Ocena zgodności łączników
Poprawne zaprojektowanie i wykonanie urządzenia zawierającego elementy elektroniczne wymaga sprawdzania odporności i emisyjności urządzenia w stosunku do wymagań normy zharmonizowanej. W tablicach 1. i 2. zestawiono wymagania rozdziału 26. normy [8] dla łączników elektronicznych, gdzie wymaga się następujących prób odporności na:

  • zapady napięcia i krótkie przerwy (przerwa, zapad 60%, zapad 30%, każde 3 razy po 200 ms);
  • udary 1,2 µs/50; µs nakładane na napięcie zasilające (10 razy, co 30 sekund, napięcie probiercze 1 kV);
  • szybkie przejściowe przebiegi elektryczne (zasilanie 1 kV, sterowanie 0,5 kV, obie biegunowości, czas narażenia 1 minuta);
  • wyładowania elektrostatyczne (4 kV – przez dotknięcie lub 8 kV w powietrzu, 10 punktów, w każdym po jednym wyładowaniu dodatnim
    i ujemnym);
  • zaburzenia przewodzone indukowane przez pola o częstotliwości  radiowej (poziom 3 V, modulacja 1 kHz);
  • pole magnetyczne promieniowane (natężeniepola 3 V/m).

Zgodnie z wymaganiami normy [8] w czasie próby stan i nastawy łącznika mogą zmieniać się, ale po próbie łącznik powinien być w takim samym stanie jak przed próbą, a nastawy nie mogą ulec zmianie. Wymaga to stosowania przez producentów specjalnych rozwiązań umożliwiających podtrzymanie stanu procesora lub zapamiętanie nastaw podczas trwania narażenia. W przypadku prób emisji zgodnie z [8] nie mogą być przekroczone poziomy poszczególnych składowych harmonicznych [10] oraz napięcia zaburzeń na zaciskach [6], (rys. 5).
Szereg wymagań podano w rozdziale 101., dotyczącym warunków nienormalnych, który określa zachowanie łącznika przy zwarciu różnych elementów lub w przypadku przeciążenia. Dodatkowo urządzenie powinno wytrzymywać zwarcia – tj. nie powodować zagrożenia pożarem przy dopuszczalnej utracie właściwości funkcjonalnych – w obwodzie o spodziewanym prądzie 1 500 A. W związku z po – wyższym w układach


 ściemniaczy lub regulatorów wykorzystujących łączniki półprzewodnikowe i zabezpieczonych bezpiecznikami stosowanie szeregowych dławików zmniejszających emisję przewodzoną do odpowiedniego poziomu może powodować w przypadku 30-minutowego przeciążenia prądem 2,1 Ib (rys. 6) nadmierne nagrzewanie drutu emaliowego dławika i przekroczenie przyrostu temperatury dopuszczalnej określonej w normie na poziomie 110OC, co zazwyczaj powoduje uszkodzenie elementów elektronicznych wewnątrz obudowy oraz izolacji przewodów. Dodatkowo występuje problem nadmiernego nagrzewania ścieżek obwodów  drukowanych, jeżeli w procesie projektowania nie uwzględniono wyższych od znamionowych poziomów prądu. W związku z tym należy optymalnie dobierać wartości indukcyjności dławika tak, aby utrzymać odpowiedni poziom zaburzeń przewodzonych oraz właściwą temperaturę elementów układu w warunkach przeciążeń.

Kontakt z autorem:molesz@ely.pg.gda.pl