Napětí v japonských továrnách: 200 V, 100 V, 24 V a 50/60 Hz

Na štítku stroje z Japonska stojí „3φ AC 200 V 50/60 Hz“. Ve vašem závodě je ale síť 3×400/230 V, 50 Hz. Než se stroj připojí, je třeba odpovědět na tři otázky: potřebuje stroj transformátor, budou se jeho motory při vaší frekvenci chovat stejně a které z jeho vnitřních napětí (200 V, 100 V, 24 V DC) vlastně musíte řešit vy?

Stručná odpověď: Japonské továrny běžně provozují motory na 3fázových 200 V (větší zátěže na třídě 400 V), osvětlení a malá zařízení na jednofázových 100 V a řídicí obvody na 24 V DC. Síť má 50 Hz ve východním Japonsku a 60 Hz v západním. Stroj postavený na 200 V proto v české síti 400 V obvykle potřebuje snižovací transformátor, nebo jinou napěťovou verzi od dodavatele. Frekvence je samostatná kontrola, protože mění otáčky motoru i zatížení motorů a střídavých cívek.

Průvodce vysvětluje japonská napětí z výkresů a štítků, porovnává je s typickými průmyslovými sítěmi v Česku, USA, Indii a jihovýchodní Asii a ukazuje, proč stejný motor při 400 V odebírá poloviční proud. Na konci je kontrolní seznam a text dotazu pro japonského dodavatele. Uvádí, co je třeba ověřit; není to montážní postup.

Napětí uvnitř japonské továrny

Japonský závod neprovozuje všechno na jednom napětí. Napájení se volí podle zátěže a podle vlastního projekčního standardu továrny. Velká čerpadla a ventilátory jsou kandidáty na 3fázové napájení třídy 400 V, běžné motorové zátěže se provozují i na 3fázových 200 V. Osvětlení, zásuvky a malá zařízení používají jednofázových 100 V, zatímco čidla, vstupy a výstupy PLC a relé obvykle pracují na 24 V DC.

„Třída 400 V“ (v japonských podkladech „400 V-class“) není jedno číslo. Zařízení v této třídě mohou mít jmenovité napětí 400 V, 415 V nebo 440 V, takže dvě zařízení označená jako „400 V“ nemusí být zaměnitelná. Jeden stroj také může používat několik napětí najednou: elektricky ovládaný ventil může mít motor na 200 V, ale povel otevřít/zavřít a stavové signály na jiném napětí.

Napájení 24 V DC není jen menší transformátor. Elektronika, například PLC a počítače, pracuje na stabilním nízkém stejnosměrném napětí, které kromě snížení střídavého napětí vyžaduje usměrnění a stabilizaci.

Pro závod mimo Japonsko na tomto rozdělení záleží. Řídicí obvod 24 V DC obvykle vyrábí napájecí zdroj v rozvaděči stroje, takže s vaší sítí se musí shodovat jen vstupní rozsah tohoto zdroje. Na síti přímo závisí 3fázové napájení motorů a vše, co je zapojeno na jednofázových 100 V. Japonských 100 V je jinde ve světě výjimka: v Evropě se používá 230 V, v USA 120 V, v Indii a jihovýchodní Asii většinou 220–240 V, a proto je třeba najít všechny zátěže na 100 V.

50 Hz na východě, 60 Hz na západě

Japonská síť je rozdělena na dvě části. Východní Japonsko včetně Tokia má 50 Hz, západní Japonsko včetně Ósaky 60 Hz. Hranice vede zhruba od řeky Fudži v prefektuře Šizuoka k městu Itoigawa v prefektuře Niigata a není přímá. Rozdělení pochází z 90. let 19. století, kdy Tokio nainstalovalo německé generátory na 50 Hz a Ósaka americké na 60 Hz.

Proto japonské štítky a technické listy tak často uvádějí obě frekvence. Dodavatel v Nagoji nebo Ósace může stroj zkoušet na 60 Hz, zatímco dodavatel poblíž Tokia na 50 Hz. Z označení „made in Japan“ se nedá poznat, pro kterou frekvenci byl stroj nastaven a odzkoušen, proto se zeptejte. Česká síť má 50 Hz, takže stroj odzkoušený ve východním Japonsku odpovídá vaší frekvenci, ale přesto to nechte potvrdit.

„Teiatsu“ (nízké napětí) neznamená bezpečné

Japonské dokumenty používají tři právní kategorie napětí z celostátní vyhlášky o technických normách pro elektrická zařízení (Ministerial Ordinance on Technical Standards for Electrical Equipment, článek 2). Střídavých 200 V i 400 V spadá do kategorie teiatsu (nízké napětí). Například střídavých 3 300 V a 6 600 V patří do kategorie koatsu (vysoké napětí) a zachází se s nimi jinak než s nízkonapěťovými silovými obvody 200 V a 400 V. Když tedy japonský dokument píše „vysoké napětí“, neznamená to 400 V.

Právní název není hodnocením bezpečnosti. U odporové zátěže podle Ohmova zákona (V = RI) proud při stálém odporu roste s napětím, ale lidské tělo nelze zredukovat na jeden pevný odpor nebo jednu mezní hodnotu proudu, která odděluje bezpečné od nebezpečného. Závažnost úrazu závisí na místě dotyku, dráze proudu, době působení a vlhkosti a skutečné nebezpečí úrazu představuje i napětí 100 V. Nižší napětí nezbavuje povinnosti chránit živé části, zajistit správné uzemnění a ochranu a dodržovat postupy pro práci bez napětí.

Japonsko a váš závod: typická napájecí napětí a frekvence

Tabulka staví Japonsko vedle zemí, ve kterých pracuje většina čtenářů a jejich skupin. Berte ji jako výchozí bod. Zveřejněné jmenovité hodnoty se mohou lišit od toho, co v závodě naměříte, a ve starších sítích některých zemí se stále používá 380 V nebo 415 V, i když oficiální jmenovité napětí je 400 V.

Vyplývají z toho dva závěry. Za prvé, japonský stroj na 200 V je téměř všude mimo Japonsko napěťový nesoulad, včetně Česka. Jedinou částečnou výjimkou je americká soustava 208 V, která je blízko japonských 200 V, ale i tak je nutné ji porovnat s jmenovitým rozsahem stroje. Za druhé, většina jihovýchodní Asie, Indie i Evropa mají 50 Hz, USA a Filipíny 60 Hz a Japonsko obojí, takže otázka frekvence závisí na místě dodavatele stejně jako na vašem. Pro české závody je výhodné, že stroj třídy 400 V s hodnocením 400 V, 50 Hz na štítku může sedět bez transformátoru. U zařízení označených 415 V nebo 440 V ale ověřte dovolený rozsah napětí.

Proč napětí mění proud a ztráty na vedení

Při stejném výkonu znamená vyšší napájecí napětí nižší proud. Proto závody provozují velké motory na třídě 400 V nebo 480 V místo 200 V. Výkon je rychlost, jakou se spotřebovává elektrická energie, a měří se ve wattech (W) nebo kilowattech (kW). U stejnosměrného proudu je to napětí krát proud. U střídavého proudu se navíc bere v úvahu počet fází a účiník.

Při stejném činném výkonu a účiníku zdvojnásobení napětí sníží proud na polovinu. Porovnávají se tu dva motory, každý navržený na své napětí. Neznamená to, že lze na motor 200 V připojit 400 V.

Příklad: proud motoru 7,5 kW při různých napětích

Údaj kW na štítku motoru je normálně jmenovitý výkon na hřídeli, ne elektrický příkon. Účinnost je výkon na hřídeli dělený elektrickým příkonem a účiník je činný výkon dělený zdánlivým. Pro výpočet proudu z výkonu na hřídeli potřebujete obojí.

Vezměme hypotetický 3fázový motor: výkon na hřídeli 7,5 kW, účinnost 90 %, účiník 0,80. Pro ilustraci předpokládáme stejnou účinnost a účiník ve všech napěťových verzích. Skutečné jmenovité proudy najdete v technickém listu daného výrobku.

Při účinnosti 90 % odebírají oba motory elektrický příkon asi 8,33 kW. Přechod na 400 V nesníží spotřebu energie na polovinu, sníží proud. Stejný vzorec dává pro napětí, se kterými se můžete setkat, tyto hodnoty:

Nižší proud snižuje odporové ztráty na vedení

Teplo ztracené v kabelu je úměrné druhé mocnině proudu. Při stejném materiálu vodiče, délce a průřezu sníží poloviční proud odporové ztráty na vedení na čtvrtinu.

Nižší proud může umožnit menší kabel, ale po zmenšení průřezu už ztráty nemusí činit čtvrtinu původních. Zvolte průřez, který splňuje proudovou zatížitelnost, úbytek napětí, odolnost proti zkratu a podmínky uložení, a s tímto kabelem pak vše znovu vyhodnoťte. Úbytek napětí závisí také na proudu a na odporu a reaktanci kabelu, takže vyšší napětí pomáhá i tam. Nezmenšujte průřez kabelu na polovinu jen podle poměru napětí, aniž byste ověřili typ obvodu, účiník a délku vedení.

Co mění 50 Hz oproti 60 Hz

Shoda napětí je jen polovina práce. Otáčky asynchronního motoru sledují frekvenci sítě: synchronní otáčky jsou 120 × f / p, takže čtyřpólový motor má při 50 Hz synchronní otáčky 1 500 min⁻¹ a při 60 Hz 1 800 min⁻¹. Skutečné otáčky jsou kvůli skluzu o něco nižší.

Japonský katalog ukazuje, jak to vypadá na štítku. Čtyřpólový motor Mitsubishi Electric SF-PR třídy 400 V o výkonu 5,5 kW má jmenovité hodnoty pro čtyři kombinace napětí a frekvence, každou s vlastním proudem a otáčkami:

Plynou z toho dvě věci. Čerpadlo, ventilátor nebo dopravník poháněný motorem přímo běží při 60 Hz asi o 20 % rychleji než při 50 Hz, což mění jeho výkon i zatížení motoru. Zeptejte se, zda dodavatel stroj dimenzoval a zkoušel na vaší frekvenci. Motor se jmenovitými hodnotami jen pro 60 Hz také nemusí být při stejném napětí a 50 Hz v pořádku: poměr napětí a frekvence stoupne asi o 20 %, což zvyšuje magnetický tok a může motor přehřívat. Klesá i jeho výkonová schopnost. Jakékoli snížení výkonu nebo úpravu napětí musí určit výrobce motoru.

Další součásti citlivé na frekvenci

Motory nejsou jediné, co je třeba zkontrolovat. Střídavé cívky stykačů, relé a elektromagnetických ventilů mají jmenovité napětí a frekvenci a střídavé a stejnosměrné cívky nejsou zaměnitelné. Pozornost zaslouží i střídavé ventilátory v rozvaděčích a vše, co se časuje podle frekvence sítě. U mnoha dílů je uvedeno „50/60 Hz“, ale ověřte to položku po položce v seznamu dílů, nepředpokládejte to.

Frekvenční měniče (inverter)

Frekvenční měnič, v japonských dokumentech „inverter“, situaci mění. Jeho výstupní frekvence se nastavuje parametry, takže motor za měničem nevidí frekvenci vaší sítě přímo. Přesto platí dvě samostatné kontroly.

• Vstup: napěťová třída měniče (třída 200 V nebo 400 V) musí zahrnovat vaše napájecí napětí. Měnič třídy 200 V nelze připojit na napájení 400 V nebo 480 V.
• Výstup do motoru: měnič a motor se musí shodovat v napětí. Mitsubishi Electric uvádí, že měnič 400 V nemá pohánět motor 200 V, protože špičkové výstupní napětí měniče může překročit elektrickou pevnost motoru, i když se sníží nastavení výstupu. Pro motor 200 V použijte měnič 200 V a u jakékoli jiné kombinace se výrobce zeptejte na špičkové výstupní napětí a izolaci motoru.

Pokud má stroj měniče, sepište každý z nich s modelem a napěťovou třídou a zeptejte se dodavatele, zda existuje verze třídy 400 V pro váš závod.

Potřebujete transformátor?

Přizpůsobení stroje napájení se obejde bez převodních zařízení. Pokud má váš závod napájení 200 V a stroj je model na 200 V, nemusíte pro hlavní napájení potřebovat žádný snižovací transformátor. Stejná logika platí pro malé zátěže: zvolíte-li zařízení na AC 200 V tam, kde je AC 200 V po ruce, můžete se obejít bez vyhrazeného transformátoru na AC 100 V. Ve většině závodů mimo Japonsko, včetně českých, ale volíte mezi dvěma možnostmi: objednat stroj ve verzi odpovídající vašemu napájení, nebo ponechat verzi 200 V a přidat snižovací transformátor, v našem případě 400/200 V.

I když se transformátor zdá jednodušší, není jediným hlediskem. Náhradní díly, společné řídicí napětí v celém závodě, výměna při poruše, ochrana před úrazem a chování při výpadku napájení hovoří pro dodržení vlastního elektrického standardu vašeho závodu. Při výměně dílu porovnávejte napětí, střídavé či stejnosměrné napájení, počet fází, frekvenci, výkon, dovolený proud, izolaci a ochranu, ne jen napětí. Některé výrobky lze přepínat mezi 200 V a 400 V, ale zapojení svorek a podmínky použití určuje návod daného výrobku, ne samotný štítek.

Volba napětí také nevyřeší všechno ostatní. Překlenutí výpadku napájení vyžaduje samostatné posouzení UPS a oddělení signálů samostatné posouzení izolátoru. Tam, kde se zařízení dodává ve verzích 100 V i 200 V, například některé elektricky ovládané ventily, porovnejte vedle hlavního napájení také povelové signály, rozběhový proud, nutnost převodu napětí a náhradní díly pro údržbu.

Kontrola obvodu 24 V DC na vzdáleném konci

Řízení na 24 V DC nezávisí na vaší síti, ale má vlastní omezení: úbytek napětí. Když se japonský stroj instaluje s delšími kabely v provozu, než měl u dodavatele, může i malý úbytek stlačit napětí zařízení pod jeho minimální vstup. Kontrolujte nejen ustálený stav, ale i proud, když se současně spínají elektromagnetické ventily a podobné zátěže, a počítejte celou smyčku (tam i zpět) od zdroje k zařízení.

Předpokládejme například zdroj 24 V, proud zátěže 2 A a celkový odpor smyčky 1 Ω. Vedení způsobí úbytek 2 V, takže zařízení dostane 22 V. Tuto hodnotu porovnejte s minimálním vstupním napětím zařízení v jeho technickém listu.

Zdroj s velkou rezervou kapacity může kvůli odporu vedení nebo zapínacímu proudu stále nechat vzdálený konec bez dostatečného napětí. Než zvýšíte výstup zdroje, zkontrolujte průřez a délku vodičů, dovolený vstupní rozsah každého zařízení a zda by některé zařízení potom nedostalo přepětí.

AC 24 V a DC 24 V jsou různá napájení a některá stejnosměrná zařízení jsou citlivá na polaritu, proto na schématu svorek potvrďte druh napětí i polaritu. Bezpotenciálový (beznapěťový) kontakt sám žádné napětí nedodává, takže na schématu svorek zkontrolujte přijímací vstupní obvod a případné externí napájení, které potřebuje. Hlavní napájení stroje 200 V nic neříká o podmínkách jeho signálů, proto posuzujte specifikaci napájení a specifikaci vstupů a výstupů samostatně.

Kontrolní seznam před objednávkou nebo připojením

• Napájení závodu: naměřené napětí, frekvence, počet fází a typ soustavy v místě připojení
• Hlavní napájení stroje: jmenovité napětí, frekvence, počet fází a proud při plném zatížení ze štítku a elektrických výkresů (štítek podle ČSN EN 60204-1 tyto údaje obvykle obsahuje)
• Každý motor: uvedené kombinace napětí a frekvence a proud a otáčky v řádku, který odpovídá vašemu napájení
• Každý měnič (inverter): vstupní napěťová třída oproti vašemu napájení a napětí motoru oproti výstupní třídě měniče
• Jednofázové zátěže 100 V: které to jsou a jak budou napájeny
• Řídicí transformátor: dostupné odbočky primárního vinutí a zda jedna odpovídá vašemu napětí
• Střídavé cívky, ventilátory v rozvaděči a díly citlivé na frekvenci: hodnocení 50/60 Hz v seznamu dílů
• Napájecí zdroj 24 V DC: vstupní rozsah, kapacita a napětí na nejvzdálenějším zařízení
• Zkušební podmínky: napětí a frekvence, při kterých dodavatel provedl přejímací zkoušku (FAT)
• Transformátor (pokud je potřeba): kdo ho dodá, kVA včetně rozběhu motorů a ochrana
• Místní předpisy: které normy a certifikace musí instalace splňovat (u nás zejména označení CE a související dokumentace) a kdo ji schvaluje

Otázky pro japonského dodavatele

• Byl stroj postaven a zkoušen pro 50 Hz, nebo 60 Hz? Byl zkoušen i na naší frekvenci?
• Můžete dodat verzi třídy 400 V (nebo 460 V, 60 Hz) místo 200 V? Které díly by se změnily?
• Uveďte prosím všechny motory a měniče s modelem, napěťovou třídou a jmenovitými kombinacemi napětí a frekvence.
• Které zátěže běží na jednofázových 100 V a jaký je jejich celkový proud?
• Má řídicí transformátor odbočku primárního vinutí pro naše napájecí napětí?
• Pokud použijeme snižovací transformátor, jaký výkon v kVA a jaké napětí doporučujete včetně rozběhového proudu?
• Jsou některé díly dimenzované jen pro jednu frekvenci (cívky, ventilátory, časovače)?
• Jaký je dovolený rozsah napájecího napětí celého stroje?

Šablona dotazu

Zkopírujte, doplňte údaje v hranatých závorkách a odešlete. Krátké číslované otázky se japonskému technikovi odpovídají a překládají snáze. Text je záměrně v angličtině, protože s dodavatelem se obvykle komunikuje anglicky.

Kde tento průvodce končí

• Tabulka napětí vychází ze zveřejněných jmenovitých hodnot. Skutečná napětí v závodě, tolerance a typy soustav (uzemnění, hvězda nebo trojúhelník) se liší podle závodu a distributora a průvodce je nepokrývá.
• Údaje o proudu a ztrátách platí pro hypotetický motor s pevnou účinností a účiníkem. Skutečné motory se liší podle napěťové verze a výrobce.
• Data motoru Mitsubishi jsou jeden příklad z katalogu. Jiní výrobci a modely uvádějí jiné kombinace.
• Snížení výkonu motoru při jmenovité frekvenci nepřipadající v úvahu, dimenzování transformátoru, dimenzování kabelů a nastavení ochran jsou projektová rozhodnutí vašeho elektrotechnika a výrobce zařízení.
• Kontrolu a výměnu je nutné provádět podle postupů stanovených odpovědnou osobou ve vašem závodě pro odpojení od napětí, zajištění proti opětovnému zapnutí a ověření beznapěťového stavu, při dodržení místních předpisů (v Česku práce na elektrických zařízeních vyžadují odbornou způsobilost podle vyhlášky č. 50/1978 Sb. a postupy BOZP, například podle ČSN EN 50110-1; aktuální znění ověřte). Pozor na samostatná napájení, výstupy UPS a energii uloženou uvnitř napájecích zařízení a ujistěte se, že jste určili všechna napájení, která vedou do pracovního prostoru.

Časté dotazy

Mohu japonský stroj 200 V připojit přímo na 400 V?

Ne přímo. Nikdy nepřipojujte napětí vyšší než jmenovité, pokud stroj není výslovně pro takové napětí určen. Použijte snižovací transformátor dimenzovaný vaším elektrotechnikem, nebo požádejte dodavatele o verzi třídy 400 V (pro 50 Hz), a zapojení, frekvenci a nastavení ochran potvrďte z dokumentace výrobce.

Bude japonský motor na 60 Hz fungovat na 50 Hz?

Jen pokud je dimenzován i pro 50 Hz. Mnoho japonských motorů uvádí obě frekvence, s odlišnými hodnotami proudu a otáček. Motor jen pro 60 Hz běží na 50 Hz asi o 17 % pomaleji a při stejném napětí se zvyšuje jeho magnetický tok a může se přehřívat, proto si před použitím vyžádejte pokyny výrobce.

Je 400 V v Japonsku „vysoké napětí“?

Ne. Podle japonské vyhlášky o elektrických zařízeních je střídavé napětí do 600 V teiatsu (nízké napětí), takže 400 V je nízké napětí. Toto označení neznamená, že je bezpečné se napětí dotýkat. Platí dál ochrana živých částí a postupy pro práci bez napětí.

Je 24 V DC bezpečné před úrazem a požárem?

Ne automaticky. Nízké napětí má výhody, ale samo obvod bezpečným neučiní. Při zkratu může stále téct velký proud, proto zkontrolujte ochranné charakteristiky zdroje a ochranu každého odbočného obvodu.

Sníží přechod z 200 V na 400 V účet za elektřinu na polovinu?

Ne. Při stejné práci, účinnosti a účiníku se proud sníží na polovinu, ale výkon dodávaný zařízení ne. Ztráty na kabelech klesnou, skutečný nákladový efekt ale závisí na účinnosti zařízení, ztrátách transformátoru a vašem tarifu.

Zdroje

• Japonské právní kategorie napětí (článek 2): e-Gov, vyhláška o technických normách pro elektrická zařízení (japonsky)
• Rozdělení Japonska na 50/60 Hz a jeho původ: Wikipedia, „Fuji River“; IEEE Milestone, Sakuma Frequency Converter Station
• Hranice řeka Fudži–Itoigawa: Jackery Japan, oblasti se smíšenými 50 Hz/60 Hz (japonsky); Joshin, frekvence podle regionů (japonsky)
• Třífázové napětí a frekvence podle zemí: WorldStandards, „Three-phase electric power“
• Elektrická zařízení strojů (štítek, napájení): ČSN EN 60204-1, náhled
• Napětí soustav USA a napětí na štítcích motorů: NEMA, „NEMA Motor Standards vs. IEC Motor Standards“; Power Transmission Engineering, Baldor Basics
• Jmenovitá napětí v Indii: BIS, IS 12360:1988 Voltage Bands for Electrical Installations
• Příklad parametrů motoru (SF-PR třída 400 V, 4 póly, 5,5 kW): Mitsubishi Electric, specifikace SF-PR (japonsky)
• Měnič 400 V s motorem 200 V: Mitsubishi Electric FA FAQ (japonsky)
• Rovnice výkonu a účiníku: HIOKI, rovnice měření PW4001 (japonsky); Japan Electrical Engineers Association, metoda dvou wattmetrů (japonsky)
• Napájecí zdroje AC/DC, jmenovité hodnoty a ochrana: OMRON, slovník napájecích zdrojů (japonsky); OMRON, parametry S8VK-WA (japonsky)
• Cívky relé AC/DC a polarita: OMRON, technický průvodce obecnými relé (japonsky)
• Napájení a bezpotenciálové vstupy: OMRON, vstupy a výstupy WT21 (japonsky)
• Faktory úrazu elektrickým proudem a nehody na nízkém napětí: Ministerstvo zdravotnictví, práce a sociálních věcí Japonska, „Úraz elektrickým proudem“ (japonsky); MHLW, případ nehody při práci na nízkém napětí (japonsky)
• Opatření při práci na obvodech bez napětí (samostatný předpis oproti vyhlášce o kategoriích napětí): MHLW, vyhláška o bezpečnosti a ochraně zdraví při práci (japonsky)