Jakie stopnie ochrony obowiązują w Ameryce Północnej?
IP, NEMA lub UL type rating – oto jest pytanie. Właściwy wybór rozwiązań w Ameryce Północnej musi być dobrze uzasadniony. Oto, co należy koniecznie wiedzieć:
- Stopnie ochrony IP dla obudów urządzeń elektrycznych są podawane według międzynarodowej normy IEC 60529 w postaci dwóch cyfr znamionowych ewentualnie uzupełnionych o litery i są wykorzystywane na całym świecie – gdzie nie obowiązują standardy północnoamerykańskie.
- W krajach Ameryki Północnej często są wymagane klasy ochrony NEMA, które nie pokrywają się w pełni z systemem IP. Zarówno badania, nazewnictwo, jak i oznaczenia wyraźnie się różnią.
- Do zastosowań w Ameryce Północnej produkty wymagają najczęściej aprobaty UL (np. Industrial Control Panel według UL 508 A), z kolei w przypadku pustych obudów na pierwszym planie jest UL type rating – również podawany na tabliczce znamionowej.
UL type rating i NEMA type rating są niemal identyczne, ponieważ uregulowania NEMA stanowią podstawę dla odpowiednich badań UL. Za parametr NEMA odpowiada producent, parametr UL jest badany niezależnie. To oznacza, że dla obudów, które nie są przeznaczone konkretnie do użytkowania na rynku północnoamerykańskim i dla których nie jest wymagana aprobata UL, informacje o IP i NEMA są prawidłowe. Dla obudów z wymaganą aprobatą UL – niezależnie od miejsca zainstalowania – prawidłowy jest UL type rating.
Inne wskazówki i porady
To pytanie często zadają konstruktorzy maszyn i urządzeń. Na przykład wtedy, gdy komponenty elektryczne w szafie sterowniczej są montowane na szynach zatrzaskowych, które są przymocowane na przykład do płyt montażowych.
Odpowiedź znajduje się w normach PN-EN 61439-1/-2 oraz PN-EN 60204-1. Zgodnie z nią przewodzące elementy konstrukcyjne jako część połączenia przewodu ochronnego są dozwolone tylko wtedy, gdy spełniają podstawowe wymagania trwałości, dobrego przewodnictwa i wystarczającej obciążalności prądowej połączenia. W przypadku spełnienia tych wymagań szyna nośna może być wystarczająco połączona z przewodem ochronnym na dużej powierzchni styku z odsłoniętą metalową płytą montażową lub też za pomocą elementów mocujących (kątowniki mocujące, elementy dystansowe, itp.) przy mocowaniu do systemu szafy (stelaż, szyny do rozbudowy, itp.). Znaczenie:
- Trwałość: miejsca styku będące pod obciążeniami mechanicznym są zabezpieczone przed poluzowaniem i chronione przed oksydacją oraz korozją
- Dobre przewodnictwo: wartość rezystancji mierzona między stykiem komponentu na szynie zatrzaskowej a punktem podłączenia zewnętrznego przewodu ochronnego wynosi < 0,1 Ω
- Wystarczająca obciążalność prądowa: w przekroju styku/połączenia musi być równa wymaganemu, osobnemu przewodowi ochronnemu z miedzi
W tej kwestii konstruktorzy urządzeń często biorą pod uwagę tylko stopień ochrony IP 55 lub wyższy. Łatwo przy tym zignorować inne ważne aspekty.
Podstawowa zasada: stopnie ochrony IP dla obudów urządzeń elektrycznych są podawane według międzynarodowej normy IEC 60529 w postaci dwóch cyfr znamionowych ewentualnie uzupełnionych o litery. Jednak norma opisuje badania laboratoryjne, które nie są w stanie dokładnie odzwierciedlić wszystkich możliwych przypadków zastosowań urządzeń elektrycznych.
Nie uwzględnia się zwłaszcza długotrwałego oddziaływania warunków atmosferycznych, jak ulewy czy oblodzenie. Poza ochroną przed wnikaniem pyłu i wilgoci musi być uwzględniona również ochrona przed korozją. To może oznaczać nałożenie specjalnych powłok lub zastosowanie stali nierdzewnej. Innym ważnym aspektem jest zaplanowanie klimatyzacji, która sprosta zwiększonemu ryzyku kondensacji lub dodatkowemu obciążeniu cieplnemu w wyniku nasłonecznienia.
Podsumowanie: obudów, które nie są przeznaczone konkretnie do zastosowań na zewnątrz, zasadniczo nie wyklucza się całkowicie do tego typu zastosowań.
Jednak warto zwertyfikować ich stosowanie z producentem.
To pytanie pojawia się często w przypadku wyposażenia szaf w układy sterowania i rozdziału mocy z najróżniejszymi urządzeniami i komponentami.
Montaż w przypadku rozdzielnic niskonapięciowych odbywa się często z wykorzystaniem płyt montażowych. Poza aspektami bezpieczeństwa należy przy tym uwzględnić w projekcie także ryzyka funkcjonalne, jak odpowiednia klimatyzacja i ochrona EMC. Ma to znaczenie zwłaszcza w przypadku stosowania podzespołów elektroniki mocy, techniki sterowniczej i telekomunikacyjnej, które są zasilane z systemu szyn zbiorczych poprzez urządzenia zabezpieczające i przełączające.
Producenci tych podzespołów w swoich instrukcjach montażu i eksploatacji często stawiają dokładne wymagania dotyczące umiejscowienia oraz odległości od innych komponentów. Należy koniecznie przestrzegać tych instrukcji, aby uniknąć usterek, szkód i nie utracić gwarancji.
Dlatego, zwłaszcza w określonych warunkach przestrzennych na przykład kompaktowej maszyny, tym ważniejsze jest możliwie dobre wykorzystanie wnętrza szafy sterowniczej za pomocą szerokiej palety akcesoriów i systemowych części montażowych.
Musi być możliwy montaż na stałe lub wysuwany dla urządzeń 19", jak również instalacja dodatkowych płaszczyzn za pomocą płyt montażu częściowego. Można je umieścić wychylnie lub przechylnie z boku szafy bądź przed główną płytą montażową.
W ten sposób można łatwo zrealizować odpowiednie odległości w celu uniknięcia hotspotów lub ograniczenia oddziaływań elektromagnetycznych. Ponadto odsłonięte, zabezpieczone przed korozją i przewodzące akcesoria do EMC – dzięki bezpośredniemu stykowi poprzez mocowanie – umożliwiają bardzo dobre wyrównanie potencjałów obudów urządzeń, ekranów kablowych i ewentualnie obudów filtrów EMC.
Także bardzo ciężkie elementy zabudowy, których nie da się przymocować do płyty montażowej, powinny mieć zapewnione łatwe i bezpieczne podparcie za pomocą komponentów do dużych obciążeń na podłodze szafy sterowniczej lub na poziomym profilu ramy w przypadku szaf szkieletowych.
To pytanie jest często zadawane Rittal, gdy szafy sterownicze muszą być ustawiane w najróżniejszych zastosowaniach. Odpowiedź wymaga rozróżnienia trzech głównych przypadków zastosowań: po pierwsze transportu szafy do miejsca zainstalowania, po drugie zagwarantowania stabilności i przymocowania na miejscu, a po trzecie doprowadzenia kabli do szafy sterowniczej. Te trzy przypadki mają bezpośredni wpływ na wybór niezbędnych akcesoriów. Już tutaj okazuje się, że potrzebna jest szeroka paleta elementów ułatwiających montaż, tak aby uzyskać rozwiązanie dla praktycznie każdego przypadku zastosowania.
Zastosowanie w transporcie
Jeżeli szafa musi być podnoszona i przemieszczana za pomocą dźwigu, to cokół nie jest potrzebny. Jeżeli szafa sterownicza jest transportowana wózkiem widłowym lub podnośnikowym, to cokół jest wskazany, o ile ma modułową konstrukcję z nośnych elementów narożnikowych i osobnych osłon, a rama szafy może przyjmować obciążenia.
Kwestia stabilności
Jeżeli wymagane jest możliwie sztywne przymocowanie do podłoża, przeciwdziałające również drganiom i obciążeniom uderzeniowym, to rezygnuje się z cokołu, a rama szafy jest przykręcona lub wręcz przyspawana bezpośrednio do podłoża. Alternatywnie dostępne są specjalne formy oddzielenia mechanicznego (tłumiki drgań i pochłaniacze wstrząsów) lub dla szczególnie sztywnego połączenia z podłożem (np. cokół do ochrony przed trzęsieniem ziemi).
Kwestia doprowadzania kabli
Jeżeli w miejscu zainstalowania wymagane jest doprowadzenie kabli bez kanałów podłogowych, to cokół jest absolutnie niezbędny. Dzięki modułowej konstrukcji i odpowiednim akcesoriom cokół może ułatwić wprowadzenie kabli pod szeregami szaf oraz mechaniczne odciążenie już poza zabezpieczoną przestrzenią. Poza tym cokół oferuje wówczas także miejsce na ewentualne przechowanie niezbędnych nadwyżek kabli – które poza tym ze względów EMC nie mogą być ułożone pierścieniowo, tylko meandrycznie. Poza zamkniętym cokołem (koniecznie z perforowanymi osłonami wspierającymi wentylację szaf w czystych środowiskach), na nierównych podłożach dodatkowym uzupełnieniem mogą okazać się nóżki poziomujące – oddzielne lub połączone z cokołem.
Tak lub podobnie brzmi pytanie do Rittal, które jest ciągle zadawane w gorących miesiącach letnich lub w związku z instalowaniem szaf sterowniczych w krajach tropikalnych. Zasadnicze wątpliwości dotyczą głównie kondensacji wody w szafie i jej skutków.
W odpowiedzi – rolę odgrywają trzy istotne aspekty: różnica temperatur pomiędzy wymaganą temperaturą wewnętrzną a maksymalną temperaturą otoczenia (czy wymagane jest chłodzenie poniżej temperatury otoczenia?), czas pracy systemu elektrycznego w szafie (czy są momenty, gdy system elektryczny jest całkowicie wyłączony?) i ochrona systemu elektrycznego przed warunkami otoczenia (czy jest wymagana klasa ochrony?)
Najczęściej na takie pytania odpowiada się „tak, ale...”.
Jeżeli wymagana temperatura wewnątrz szafy jest znacznie niższa niż temperatura otoczenia, to musi zostać zapewnione chłodzenie. Otwarcie szafy sterowniczej w takim przypadku może spowodować natychmiastową kondensację na podzespołach chłodzonych na przykład przez klimatyzator.
Gdy system elektryczny jest całkowicie wyłączony, w wyniku szybkiego spadku temperatury w otoczeniu przy dobrym uszczelnieniu szafy (IP 55), kondensat może tworzyć się na wewnętrznych powierzchniach szafy lub w części podłogowej.
Istnieją różne strategie uniknięcia problemów z kondensacją w szafie:
- Odprowadzanie ciepła przez aktywną wentylację z akceptacją temperatury wewnętrznej wyższej o co najmniej 5°C
- Wystarczający „czas ogrzewania” przed otwarciem drzwi po wyłączeniu aktywnego chłodzenia
- Zastosowanie „ochronnego ogrzewania postojowego”, które utrzymuje temperaturę wewnętrzną zawsze wystarczająco powyżej temperatury otoczenia, uniemożliwiając postanie rosy na ścianach
Innym aspektem jest kondensacja na powierzchniach zewnętrznych przez zbyt duże obniżenie temperatury wewnętrznej z ryzykiem wystąpienia korozji na uszkodzonych powłokach.
Optymalne rozwiązanie dla uniknięcia tych problemów można znaleźć tylko na podstawie dokładnej analizy wymagań w danym przypadku.
To wprawdzie bardzo rzadkie pytanie, jednak pojawia się od czasu do czasu, gdy chodzi o rozdzielnice z prądami w przewodach > 200 A.
Punktowe nagrzewanie się elementów w szafie sterowniczej może mieć różne przyczyny. W przypadku części przewodzących, jak zaciski przewodów, urządzenia zabezpieczające i rozdzielcze itp. często słaby styk, gęste upakowanie w szafie, niewystarczające powierzchnie oddawania ciepła lub po prostu błędne zwymiarowanie (przy limicie obciążalności) powodują, że prądowe straty ciepła stają się „hotspotami”, co skutkuje zwarciem w wyniku uszkodzenia izolacji lub pożarem.
Co jednak może być przyczyną zauważenia nadmiernej temperatury pasywnych podzespołów mechanicznych, takich jak na przykład płyta kołnierzowa obudowy sterowniczej lub mocowań systemu szyn zbiorczych podczas inspekcji za pomocą podczerwieni?
W istotnej dla konstruktorów szaf sterowniczych normie PN-EN 61439-1 znajduje się wskazówka w podpunkcie 10.10.4 „Dowód granicznych przyrostów temperatury... przez kontrolę”.
Należy uważać, aby przewody przenoszące prądy powyżej 200 A i sąsiadujące z nimi elementy konstrukcyjne były ułożone w sposób minimalizujący prądy wirowe i straty histerezy. Tutaj działają efekty pola magnetycznego, które otacza każdy przepływający prąd. Takie pole magnetyczne jest prostopadłe do przepływu prądu i w materiałach przewodzących może powodować prądy wirowe oraz zmiany namagnesowania czy idące z nimi w parze intensywne, lokalne nagrzewanie.
W praktyce oznacza to, że przy oddzielnym prowadzeniu przewodów doprowadzających i powrotnych (nie jako kabli), np. w formie odizolowanych od bazy pojedynczych przewodów lub szyn zbiorczych, należy utrzymywać możliwie niewielkie odstępy. Poza tym elementy mocujące i metalowe powierzchnie, przez które takie przewody są prowadzone prostopadle do powierzchni, należy dobrać możliwie jak najcieńsze i ze słabo przewodzącego materiału lub wręcz z izolatora.
Kable, w których przewody są prowadzone razem w sposób bardzo zwarty, nie wykazują efektów pola magnetycznego, ponieważ sumy prądów biegnących w jedną i w drugą stronę są zawsze równe. Ponieważ kierunki pól magnetycznych tych prądów częściowych są przeciwne, następuje ich kompensacja. Dzięki temu nagrzewanie się przez prądy wirowe lub zmiany namagnesowania nie występuje wcale lub tylko w niezauważalnym stopniu.
Ciągle nurtującym pytaniem na temat zgodności szaf z EMC jest kontaktowanie lub „uziemienie” kabla ekranowanego. Zastosowanie kabli ekranowanych zarówno w szafie sterowniczej, jak i na zewnątrz urządzeń, jest dzisiaj nieodzownym warunkiem, by zagwarantować dostępność systemów mocy, sterowania i telekomunikacji w środowisku obciążonym elektromagnetycznie.
W uproszczeniu – ekranowanie kabla ma zapobiegać niechcianym emisjom z systemu, jak i oddziaływaniom na system. Temu zadaniu można jednak sprostać tylko wtedy, gdy ekranowanie w punktach wejścia i wyjścia z obudowy jest z nią optymalnie połączony elektrycznie (jeżeli obudowa jest wykonana z przewodzącego materiału). Celem jest uzyskanie całkowicie ekranowanej struktury szafy sterowniczej, ekranu kabla i obudów komponentów.
Jeżeli do obudowania komponentu, np. przyłącza silnika, zastosowano materiał izolacyjny, to koniec kabla ekranowanego powinien być połączony (przez łączówkę zaciskową) z obudową silnika. Jeśli obudowa po drugiej stronie została wykonana z materiału izolacyjnego lub jest to obudowa czujnika, to kabel ekranowany należy podłączyć w miarę możliwości do struktury przewodzącej urządzenia z potencjałem odniesienia.
Po stronie szafy sterowniczej należy w miarę możliwości połączyć wszystkie kable ekranowane z jednej strony szafy, optymalnie z wykorzystaniem dławików kablowych EMC przewodząco z powierzchnią montażową – w ten sposób zapewnia się również optymalne wyrównanie potencjałów kablowych ze sobą.
W przypadku braku możliwości zastosowania odpowiednich dławików kablowych EMC należy połączyć kable ekranowane możliwie blisko miejsca wejścia/wyjścia za pomocą odpowiedniej kombinacji szyny ekranowej i opasek stykowych. Ważne jest, aby odbywało się to z możliwie dużą powierzchnią styku, wzajemnie przewodząco i z krótką linką uziemienia od szyny do płyty montażowej. Ponadto należy przestrzegać zasady, że kontakt musi być wyprowadzony osobno względem mechanicznego odciążenia kabla.
Ponieważ w zależności od urządzenia może dochodzić do występowania większych prądów na kabel ekranowany, należy pamiętać o wystarczającej obciążalności prądowej. Metalowe systemy kontaktowania mają przy tym przewagę nad systemami z tworzywa sztucznego z powłoką przewodzącą.