Maksymalizacja odporności i czasu pracy z użyciem inteligentnych kontrolerów silników

Kontrolery silników w tych zastosowaniach muszą umożliwiać sterowanie silnikami o mocy od 75KM do 700KM i ich ochronę. Zapewnienie niezawodnej pracy wymaga kompleksowych zabezpieczeń, w tym zabezpieczenia nadmiarowego, zabezpieczenia ziemnozwarciowego i zabezpieczenia przed niezrównoważeniem fazowym.

Powinny one również posiadać funkcje autodiagnostyczne pod kątem zużycia styków oraz wykrywania nadmiernego i niewystarczającego napięcia uzwojeń z widocznymi wskaźnikami ułatwiającymi konserwację predykcyjną, a także mieć konstrukcję modułową przyspieszającą obsługę i maksymalizującą czas pracy. Aby urządzenia elektryczne mogły wytrzymać wysokie prądy bez uszkodzeń i były bezpieczne, konieczne jest zapewnienie znamionowego prądu zwarciowego (SCCR) zgodnego z normami National Electrical Code (NEC), UL, a także normami Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej (IEC).

Wspomniane kontrolery silników muszą również być zgodne z normą IEC 60947-4-1, która dotyczy bezpieczeństwa styczników i rozruszników elektromechanicznych, w tym wyłączników silnikowych (MPSD), natychmiastowych wyłączników silnikowych (IMPSD) oraz aktuatorów styczników przekaźnikowych.

Niniejszy artykuł rozpoczyna się od przeglądu wymagań w zakresie znamionowego prądu zwarciowego (SCCR). W dalszej części omówiono niedawno opracowaną grupę inteligentnych kontrolerów silników firmy Schneider Electric, obejmującą styczniki modułowe i przekaźniki nadmiarowe, szczegółowo opisując działanie funkcji zabezpieczających oraz sposób wdrożenia autodiagnostyki.

Przedstawiono spełnienie przez te przekaźniki nadmiarowe wymagań normy IEC 60947-4-1 oraz w jaki sposób ich modułowa konstrukcja przyspiesza konserwację zapobiegawczą. Na koniec przyjrzymy się, jak omawiane dwa styczniki można wykorzystać do zmontowania zespołu nawrotnego, umożliwiającego dwukierunkowe sterowanie silnikami prądu zmiennego.

Znamionowy prąd zwarciowy (SCCR) jest podstawowym elementem charakterystyki paneli sterujących, która przyczynia się do ogólnej niezawodności. Stosuje się go przy doborze komponentów mocy, takich jak zaciski i przewody. Norma IEC 60947-4-1 wyszczególnia trzy fazy obliczania znamionowego prądu zwarciowego (SCCR) (ilustracja 1):

1. Identyfikacja znamionowego prądu zwarciowego (SCCR) każdego komponentu zabezpieczającego i/lub sterującego oraz każdego bloku i elementu w systemie rozdzielczym.
2. Określenie znamionowego prądu zwarciowego (SCCR) każdego obwodu odgałęzionego. Na podstawie wartości komponentów w obwodzie.
3. Określenie znamionowego prądu zwarciowego (SCCR) całego panelu sterującego. Na podstawie wartości obwodów.

Ilustracja 1: obliczenia znamionowego prądu zwarciowego (SCCR) należy rozpocząć od wartości znamionowych poszczególnych komponentów (żółte ramki), następnie przejść w górę w celu określenia znamionowego prądu zwarciowego obwodów odgałęzionych (czerwona ramka rysowana linią przerywaną), a następnie uwzględnić potrzeny kompletnego panelu sterowania dotyczące znamionowego prądu zwarciowego (szary prostokąt). (Źródło ilustracji: Schneider Electric)

Styczniki TeSys Giga

Styczniki TeSys Giga są dostępne z prądami znamionowymi od 115 do 900A w konfiguracjach 3-biegunowych (3P) i 4-biegunowych (4P). Posiadają one znamionowy prąd zwarciowy (SCCR) do 100kA i 480V, przy czym specyfikacje dla różnych urządzeń zabezpieczających i wartości znamionowych podano w tabeli na boku stycznika. Dodatkowo na stycznikach 4P podano ich parametry znamionowe dla obciążeń kategorii AC-3 oraz znamionową moc w KM. Omawiane styczniki są dostępne dla dwóch kategorii obciążeń:

• AC-1 - dotyczy obciążeń prądu zmiennego, gdzie współczynnik mocy jest większy niż 0,95. Są to głównie obciążenia nieindukcyjne lub lekko indukcyjne, takie jak obciążenia rezystancyjne. Przerwanie łuku skutkuje minimalnym wyładowaniem łukowym i zużyciem styków.
• AC-3 - dotyczy silników klatkowych z hamowaniem podczas normalnej pracy silnika. W momencie zamykania występuje początkowy prąd rozruchowy o wartości nawet siedmiokrotności prądu znamionowego przy pełnym obciążeniu silnika. W momencie otwarcia, stycznik wyłącza prąd znamionowy pełnego obciążenia silnika.

Styczniki TeSys Giga mogą być zasilane prądem zmiennym (~) lub stałym (=) i mają wbudowane ograniczniki przepięć. Istnieją dwie wersje styczników: standardowa i zaawansowana. Styczniki standardowe są przeznaczone do użytku ogólnego. Przykłady:

• LC1G1154LSEN, 4P dla obciążeń AC-1. Charakteryzuje się prądem znamionowym 250A i posiada cewkę szerokopasmową 200-500V~/=
• LC1G225KUEN, 3P dla obciążeń AC-3. Charakteryzuje się prądem znamionowym 225A i posiada cewkę 100-250V~/=

Zaawansowane styczniki TeSys Giga posiadają dodatkowe funkcje, takie jak większy wybór napięć cewek, niższy pobór mocy przez cewkę, wejście programowanego sterownika logicznego (PLC) oraz konstrukcję kabla, która umożliwia konserwację bez demontażu kabli lub połączeń szyn zbiorczych.

Zaawansowane modele są również kompatybilne z opcjonalnym modułem zdalnej diagnostyki zużycia (RWD) omówionym w następnej sekcji. Przykłady styczników zaawansowanych:

• LC1G115BEEA, 3P dla obciążeń AC-3. Charakteryzuje się prądem znamionowym 115A i posiada cewkę 24-48V~/=
• LC1G800EHEA, 3P dla obciążeń AC-3. Charakteryzuje się prądem znamionowym 800A i posiada cewkę 48-130V~/=

Wszystkie styczniki TeSys Giga są wyposażone w diagnostyczną diodę LED na panelu przednim, która umożliwia szybką ewaluację stanów usterek (ilustracja 4).

Ilustracja 2: typowy stycznik TeSys Giga z diodą diagnostyczną LED na środku górnej części urządzenia. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Styczniki TeSys Giga posiadają kilka zintegrowanych funkcji diagnostycznych poprawiających niezawodność i wspomagających konserwację zapobiegawczą. Są to m.in.:

Diagnostyka zużycia styków i zdalna diagnostyka zużycia (RWD)

Styki ulegają zużyciu za każdym razem, gdy przerywają prąd w obwodzie zasilania. Awaria styku powoduje utratę sterowania silnikiem. Algorytm zużycia styków w kontrolerach TeSys Giga stale oblicza pozostały okres użytkowania styków. Gdy pozostały okres użytkowania spadnie poniżej 15%, generowany jest alert umożliwiający ustalenie harmonogramu konserwacji zapobiegawczej:

• Alarm lokalny jest widoczny na diodzie diagnostycznej LED z przodu stycznika.
• Wraz z zaawansowanymi stycznikami można używać opcjonalnego modułu zdalnej diagnostyki zużycia (RWD).

Diagnostyka napięcia sterującego

Napięcie sterujące monitoruje stany zbyt niskiego i zbyt wysokiego napięcia. Wskazania diagnostyczne są dostępne zdalnie w urządzeniach o numerach katalogowych kończących się ciągiem znaków LSEMC przy użyciu opcjonalnego modułu zdalnego zarządzania (RDM). Zbyt niskie napięcie jest definiowane jako napięcie zasilania poniżej 80% minimalnej specyfikacji, a nadmierne napięcie przekracza 110% wartości maksymalnej.

Wewnętrzna diagnostyka działania

Ciągłe miganie diody LED diagnostycznej sygnalizuje różne wewnętrzne usterki obwodu sterującego.

Urządzenia przełączające chroniące silnik

Inteligentne kontrolery silników, takie jak styczniki TeSys Giga, są ważną częścią instalacji Przemysłu 4.0. Zastosowanie urządzeń przełączających chroniących silniki (MPSD) jest również ważnym czynnikiem zapewniającym maksymalną wydajność i dostępność.

W normie IEC 60947-4-1, wyłącznik silnikowy (MPSD) odnosi się do urządzenia z zaprojektowanym opóźnieniem, które chroni silnik przed stanem przeciążenia. Drugi typ urządzenia, natychmiastowy wyłącznik silnikowy (IMPSD), jest specyficznym typem wyłącznika silnika (MPSD), który wyłącza się natychmiast po wykryciu przeciążenia. Natychmiastowe wyłączniki silnikowe (IMPSD) zwykle nie są kojarzone z ochroną silnika prądu zmiennego.

W zależności od zastosowania, uruchomienie silnika może trwać od kilku do kilkudziesięciu sekund. Specyfikacja wyłącznika silnikowego (MPSD) musi być tak określona, aby spełniać wymagania danego zastosowania w zakresie bezpieczeństwa i unikania kłopotliwych wyzwalań.

Aby zaspokoić potrzeby konkretnych zastosowań, w normie IEC 60947-4-1 zdefiniowano kilka klas przekaźników nadmiarowych. Klasa wyzwalania wskazuje maksymalny czas potrzebny do otwarcia przekaźnika w przypadku przeciążenia.

Istnieją również różnice pomiędzy klasami wyzwalania dla Ameryki Północnej i IEC. Na przykład, klasa 10 jest klasą wyzwalania w Ameryce Północnej, w przypadku której wyzwolenie przy przeciążeniu następuje w ciągu 4-10 sekund od wykrycia 600% nastawy prądu przeciążeniowego. Klasa 10A to klasa wyzwalania IEC, w przypadku której wyzwolenie przy przeciążeniu następuje w ciągu 2-10 sekund od wykrycia 720% nastawy prądu przeciążeniowego (tabela 1).

1,05 x Ir1,2 x Ir1,5 x Ir7,2 x IrKlasaCzas wyzwolenia przy zimnym starcie10A>2 godz.<2 godz.<2 min2 sek. < do < 10sek.10>2 godz.<2 godz.<4 min2 sek. < do < 10sek.20>2 godz.<2 godz.<8 min2 sek. < do < 20 sek.30>2 godz.<2 godz.<12 min2 sek. < do < 20 sek.

Tabela 1: przykłady klas termicznych przekaźników nadmiarowych w oparciu o prąd znamionowy (Ir). (Źródło tabeli: Schneider Electric)

Klasy wyzwalania 10A i 10 są odpowiednie dla silników pracujących w normalnych warunkach. Klasa 20 jest zalecana dla silników wysokowytrzymałych, aby uniknąć kłopotliwego wyzwalania. Klasa 30 jest stosowana przy bardzo długim czasie rozruchu silnika.

Przekaźniki nadmiarowe TeSys Giga

Termiczne przekaźniki nadmiarowe TeSys Giga charakteryzują się wysoką elastycznością i są przeznaczone do stosowania z silnikami prądu zmiennego. Ustawienia zabezpieczenia ziemnozwarciowego, zabezpieczenia przed niezrównoważeniem faz oraz klasy wyzwalania (5, 10, 20 i 30) można konfigurować na panelu przednim. Na panelu przednim znajdują się również diody LED statusu i alarmów. Posiadają one szerokie, nastawne zakresy termicznego zabezpieczenia przeciążeniowego, które pozwalają czterem nakładającym się modelom obsługiwać zastosowania o prądzie od 28A do 630A (ilustracja 3):

LR9G115, nastawiane w zakresie od 28 do 115A

LR9G225, nastawiane w zakresie od 57 do 225A

LR9G500, nastawiane w zakresie od 125 do 500A

LR9G630, nastawiane w zakresie od 160 do 630A

Ilustracja 3: przedni panel przekaźników nadmiarowych TeSys Giga zawiera diody LED statusu i elementy do nastawiania zabezpieczenia. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Przeciążenia termiczne

Zabezpieczenie przed przeciążeniem termicznym jest stosowane w jednofazowych i trójfazowych silnikach asynchronicznych. Poziom prądu termicznego zabezpieczenia przeciążeniowego można nastawiać w zależności od modelu zastosowanego przekaźnika nadmiarowego. Ponadto można nastawiać klasę wyzwalania i związane z nią opóźnienie. Termiczne zabezpieczenie przeciążeniowe może być ustawione na resetowanie automatyczne lub ręczne.

Utrata fazy

Zabezpieczenie przed utratą fazy służy do ochrony trójfazowych silników asynchronicznych przed przegrzaniem. Przekaźnik nadmiarowy stale monitoruje prąd w każdej fazie. Gdy wartość prądu w jednej z faz jest niższa od 0,1 prądu znamionowego (Ir), a wartość prądu w innej fazie jest większa od 0,8 Ir, wyzwolenie przekaźnika nadmiarowego następuje w ciągu 4 ±1 sekundy. Zabezpieczenia przed utratą fazy nie można wyłączyć i należy je zresetować ręcznie.

Niezrównoważenie fazowe

Niezrównoważenie fazowe powoduje przegrzanie silnika asynchronicznego. Niektóre z częstych przyczyn to:

• Długa główna linia zasilająca
• Uszkodzony styk na przełączniku wejściowym
• Niezrównoważenie sieci

Gdy stosunek niezrównoważenia przekracza 40%, wyzwolenie przekaźnika nadmiarowego następuje w ciągu 5 ±1 sekundy. Zabezpieczenie przed niezrównoważeniem fazowym musi być resetowane ręcznie.

Zwarcia doziemne

Zabezpieczenie ziemnozwarciowe służy do ochrony trójfazowych silników asynchronicznych. Zwarcie doziemne występuje, gdy izolacja w obwodzie obciążenia przestaje działać z powodu drgań, wilgoci lub innych czynników. Przekaźnik nadmiarowy monitoruje prąd doziemny (Ig). Gdy Ig przekracza 10% Ir, następuje wyzwolenie przekaźnika w ciągu 1 ±0,2 sekundy. Zabezpieczenie ziemnozwarciowe musi być resetowane ręcznie.

Modułowość

Modułowa konstrukcja styczników TeSys Giga może być szczególnie przydatna w przypadku nadmiernego zużycia styków lub uszkodzenia kontrolera w wyniku przeciążenia lub innych nietypowych warunków pracy. Moduły sterujące można również wymieniać w celu ich dopasowania do różnych napięć cewek, a w celu zastąpienia zużytych biegunów można odłączyć moduł przełączający.

Za pomocą opcjonalnego zestawu można zaimplementować funkcję pamięci kabla, która ułatwia szybką konserwację. Zainstalowany moduł sterujący lub przełączający można szybko wymienić bez konieczności odłączania kabli.

Idąc w drugą stronę

Styczniki nawrotne służą do zmiany kierunku obrotów silników prądu zmiennego w zastosowaniach takich jak przenośniki, windy i linie pakowania. Działają one na zasadzie odwrócenia biegunowości połączeń, powodując, że silnik obraca się w przeciwnym kierunku.

Stycznik nawrotny może być wykonany przy użyciu dwóch połączonych mechanicznie standardowych styczników. Blokada zapobiega jednoczesnemu włączaniu styczników (ilustracja 6).

Ilustracja 4: dwa połączone ze sobą styczniki TeSys Giga tworzące stycznik nawrotny do silników prądu zmiennego. (Źródło ilustracji: Schneider Electric)

Na przykład do budowy stycznika nawrotnego o mocy znamionowej 200KM przy 460V z cewką 100-250V prądu zmiennego/stałego można użyć następujących komponentów (ilustracja 6):

• LC1G265KUEN, kontroler silnika TeSys Giga, wymagane dwa
• DZ2FJ6, zestaw uchwytów stycznika
• LA9G3612, poszerzenia
• LA9G3761, szyny do pracy nawrotnej
• LA9G970, mechaniczna blokada współzależna

Podsumowanie

Styczniki i przekaźniki nadmiarowe TeSys Giga są wysoce uniwersalnymi urządzeniami, które pozwalają zmaksymalizować odporność i czas pracy w szerokim zakresie zastosowań. Omawiane styczniki w konfiguracjach 3P i 4P mają prądy znamionowe od 115 do 900A. Charakteryzuje je znamionowy prąd zwarciowy (SCCR) do 100kA przy 480V, a ich modułowa konstrukcja przyspiesza konserwację.

Programowane przekaźniki nadmiarowe charakteryzują się szerokim zakresem prądów roboczych, dzięki czemu niewielka liczba urządzeń pozwala zaspokoić potrzeby wielu zastosowań. Dwukierunkowe sterowanie ruchem można wreszcie zrealizować, łącząc dwa styczniki TeSys Giga za pomocą systemu mechanicznych blokad współzależnych.

Źródło: Maksymalizacja odporności i czasu pracy z użyciem inteligentnych kontrolerów silników

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.

Zapraszamy na TEK.day Wrocław, 6 marca 2025. Zapisz się tutaj!