ЖУРНАЛ «СТА» №3/2006

76 СТА 3/2006 www.cta.ru ЧАСТЬ 2 Г АЛЬВАНИЧЕСКАЯ РАЗВЯЗКА Гальваническая развязка цепей яв- ляется радикальным решением боль- шинства проблем, связанных с зазем- лением, и её применение фактически стало стандартом в системах промыш- ленной автоматизации. Для осуществления гальванической развязки (изоляции) необходимо вы- полнить подачу энергии и передачу сигнала в изолированную часть цепи. Подача энергии выполняется посред- ством развязывающего трансформа- тора (в DC/DC или AC/DCпреобра- зователях) или с помощью автоном- ных источников питания (гальваниче- ских батарей и аккумуляторов). Пере- дача сигнала осуществляется через оп- троны и трансформаторы, элементы с магнитной связью, конденсаторы или оптоволокно. Основная идея гальванической раз- вязки заключается в том, что в элек- трической цепи полностью устраняет- ся путь, по которому возможна пере- дача кондуктивной помехи. Гальваническая изоляция позволяет решить следующие проблемы: ● исключает появление паразитных токов по земле, уравнивающих по- тенциалы, и тем самым снижает ин- дуктивные наводки, вызванные эти- ми токами; ● уменьшает практически до нуля на- пряжение синфазной помехи на вхо- де дифференциального приёмника аналогового сигнала (например, на рис. 3 синфазное напряжение на тер- мопаре относительно Земли не влия- ет на дифференциальный сигнал на входе модуля ввода); ● защищает от пробоя вследствие син- фазного перенапряжения входные и выходные цепи модулей ввода и вы- вода (например, на том же рис. 3 син- фазное напряжение на термопаре от- носительно Земли может быть каким угодно большим, если оно не превы- шает напряжение пробоя изоляции). Для применения гальванической развязки система автоматизации де- лится на автономные изолированные подсистемы, между которыми отсут- ствуют проводники (гальванические связи). Каждая подсистема имеет свою локальную землю. Подсистемы заземляют только для обеспечения электробезопасности и локальной за- щиты от помех. Основным недостатком цепей с гальванической развязкой является повышенный уровень помех от DC/DCпреобразователя, который, однако, для низкочастотных схем можно сделать достаточно малым с помощью цифровой и аналоговой фильтрации (см. раздел «Характери- стики помех»). На высоких частотах ёмкость подсистемы на землю и ёмкость между обмотками трансфор- матора являются факторами, ограни- чивающими достоинства гальваниче- ски изолированных систем. Ёмкость на землю можно уменьшить, приме- няя оптический кабель и уменьшая геометрические размеры гальваниче- ски изолированной подсистемы. Распространённой ошибкой при применении гальванически развязан- ных цепей является неверная трактов- ка понятия «напряжение изоляции». В частности, если напряжение изоляции модуля ввода составляет 3 кВ, это не означает, что его входы могут нахо- диться под таким высоким напряже- нием в рабочих условиях. Рассмотрим методы описания характеристик изо- ляции. В зарубежной литературе для этого используют три стандарта: UL 1577, VDE 0884 и IEC 6101001, но в описаниях устройств гальванической развязки не всегда даются на них ссыл- ки. Поэтому понятие «напряжение изоляции» трактуется в отечественных описаниях зарубежных приборов не- однозначно. Главное различие состоит в том, что в одних случаях речь идёт о напряжении, которое может быть при- ложено к изоляции неограниченно долго (рабочее напряжение изоляции), а в других случаях речь идёт об испыта- тельном напряжении (напряжение изоляции), которое прикладывается к образцу в течение времени от 1 минуты до нескольких микросекунд. Испыта- тельное напряжение может в 10 раз превышать рабочее и предназначено для ускоренных испытаний в процессе производства, поскольку определяе- мое этим напряжением воздействие на изоляцию зависит также от длительно- сти тестового импульса. Табл. 1 показывает связь между рабо- чим и испытательным (тестовым) на- пряжением изоляции по стандарту IEC 6101001. Как видно из таблицы, такие понятия, как рабочее напряжение, по- стоянное, среднеквадратическое или пиковое значение тестового напряже- ния могут отличаться очень сильно. Электрическая прочность изоляции отечественных средств автоматизации испытывается по ГОСТ 51350 или ГОСТ Р МЭК 609502002, то есть си- нусоидальным напряжением с часто- той 50 Гц в течение 1 минуты при на- пряжении, указываемом в руково- В ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА Заземление в системах промышленной автоматизации Виктор Денисенко Часть 1 опубликована в «СТА» № 2/2006, стр. 94. Таблица 1 Зависимость между рабочим и испытательным напряжением изоляции Рабочее напряжение, В Воздушный зазор, мм Испытательное напряжение, В Пиковое напряжение импульса, 50 мкс Среднеквадратическое (действующее) значение, 50/60 Гц, 1 мин Постоянное напряжение или пиковое значение напряжения, 50/60 Гц, макс., 1 мин 150 1,6 2550 1400 1950 300 3,3 4250 2300 3250 600 6,5 6800 3700 5250 1000 11,5 10200 5550 7850