A rugalmasság és a rendelkezésre állási idő maximálisra növelése intelligens motorvezérléssel

Olyan intelligens villanymotor-vezérlésekre van szükség, amelyek a következő generációs Ipar 4.0-s gyártásában, a fémek és alapanyagok feldolgozásában, az ásványi anyagok kitermelésében és bányászatában, valamint a nélkülözhetetlen infrastruktúrában, például az ivóvíz- és szennyvízüzemekben maximálisra növelik a gépek rugalmasságát és üzemidejét.

Az ilyen felhasználási területeken a motorvezérlőknek képeseknek kell lenniük a 75 LE (56 kW) és 700 LE (522 kW) közötti teljesítményű villanymotorok vezérlésére és védelmére. A rugalmas működés lehetővé tételéhez átfogó védelemre van szükség, beleértve a túlterhelésvédelmet, a földzárlatvédelmet és a fáziskiegyensúlyozatlanság-védelmet.

Ezenkívül tartalmazniuk kell öndiagnosztikát az érintkezők elhasználódásának, valamint a tekercsek túlfeszültségének és feszültségesésének érzékelésére, látható jelzőkkel a megelőző karbantartás támogatása érdekében, és modulrendszerű kialakításúaknak kell lenniük a gyorsabb szervizelés érdekében, hogy maximálisra növeljék az üzemidőt. Ahhoz, hogy a villamos berendezések károsodás nélkül viseljék el a nagy áramerősségeket, és biztonságosak legyenek, meg kell felelniük az amerikai Nemzeti Villamossági Szabályzat (NEC, National Electrical Code), az UL és a Nemzetközi Elektrotechnikai Bizottság (IEC, International Electrotechnical Commission) rövidzárlati áramerősségre (SCCR, short circuit current rating) vonatkozó előírásainak.

Ezeknek a motorvezérlőknek meg kell felelniük az IEC 60947-4-1 szabványnak is, amely az elektromechanikus kontaktorok és indítórelék biztonságára vonatkozik, beleértve a motorvédő kapcsolóeszközöket (MPSD, motor protective switching devices), a késleltetésmentes motorvédő kapcsolóeszközöket (IMPSD, instantaneous motor protective switching devices) és a kontaktorok működtetőelemeit.

Ez a cikk a rövidzárlati áramerősségre vonatkozó követelmények áttekintésével kezdődik. Ezután alaposabban ismerteti a Schneider Electric nemrégiben kifejlesztett intelligens motorvezérlő termékcsaládját, beleértve a modulrendszerű kontaktorokat és túlterhelésvédő reléket, részletesen bemutatva a védelmi funkciók működését és az öndiagnosztika megvalósításának módját.

Megvizsgálja, hogy ezek a túlterhelésvédő relék hogyan felelnek meg az IEC 60947-4-1 szabvány követelményeinek, és bemutatja, hogy a modulrendszerű felépítés hogyan gyorsítja fel a megelőző karbantartást. Zárásként vet egy pillantást arra, hogy hogyan lehet két kontaktorból egy irányváltót összeállítani, amely lehetővé teszi a váltakozó áramú motorok két forgásirányú vezérlését.

A rövidzárlati áramerősségre vonatkozó követelmények lényegesek a vezérlőpanel kialakításakor, és hozzájárulnak az általános megbízhatósághoz. Ezt a paramétert a nagyáramú alkatrészek, például a kontaktorok és a vezetékek méretezésénél használják. Az IEC 60947-4-1 három fázist határoz meg a rövidzárlati áramerősségre vonatkozó követelmények kiszámításához (1. ábra):

1. A rövidzárlati áramerősség meghatározása az elosztórendszer minden egyes védelmi és vezérlőelemére, valamint minden egyes blokkjára és elemére.
2. A rövidzárlati áramerősség meghatározása az egyes elágazó áramkörökre az áramkörben lévő alkatrészek értékei alapján.
3. A rövidzárlati áramerősség meghatározása a teljes vezérlőpanelre az áramkörök értékei alapján.

1. ábra: A rövidzárlati áramerősségek kiszámítása az egyes alkatrészek (sárga téglalapok) névleges értékének kiszámításával kezdődik. Ezután meg kell még határozni az elágazó áramkörök rövidzárlati áramerősségét (piros szaggatott vonalas téglalap), végül pedig a teljes vezérlőpanel rövidzárlati áramerősségét (szürke téglalap) (ábra: Schneider Electric)

TeSys Giga kontaktorok

A TeSys Giga kontaktorok 115 A és 900 A közötti névleges értékekkel kaphatóak 3 pólusú (3P) és 4 pólusú (4P) változatban. Ezeknek 480 V feszültség mellett maximum 100 kA a rövidzárlati áramerősségük, a különböző védőeszközök jellemzői és névleges értékei a kontaktor oldalán található táblázatban vannak felsorolva. Ezenkívül a 4P kontaktorok a villanymotor váltakozó áramú terhelési kategóriáját (AC-3 stb.) és névleges teljesítményét (lóerőben, HP) is feltüntetik. Ezek a kontaktorok két terhelési kategóriában kaphatóak:

• AC-1 – Ez azokra a váltakozó áramú terhelésekre vonatkozik, ahol a teljesítménytényező több mint 0,95. Ezek elsősorban nem induktív vagy enyhén induktív, például rezisztív (ohmos ellenállásos) terhelések. Az áramkör megszakítása minimális ívképződést és érintkezőelhasználódást eredményez.
• AC-3 – Ez a villanymotor normál működése közben az áramkör megszakításával járó üzemű kalickás motorokra vonatkozik. Az érintkezők zárásakor fellép egy indulóáram, amely a motor teljes névleges terhelőáramának akár hétszeresét is elérheti. Nyitáskor a kontaktor megszakítja a motor teljes névleges terhelőáramát.

A TeSys Giga kontaktorokat váltakozó áramú (AC) és egyenáramú (DC) vezérlőfeszültséggel is lehet működtetni, és beépített feszültséglökés-korlátozóval is el vannak látva. A kontaktoroknak két változata létezik, az alapváltozat és a különleges változat. Az alapváltozatú kontaktorokat általános használatra tervezték. Néhány példa ezekre:

• LC1G1154LSEN, 4P kialakítás AC-1 kategóriájú terhelésekhez. 250 A áramerősségre méretezve, 200–500 V-os egyen-/váltakozó áramú széles sávú tekerccsel.
• LC1G225KUEN, 3P kialakítás AC-3 kategóriájú terhelésekhez. 225 A áramerősségre méretezve, 100–250 V-os egyen-/váltakozó áramú tekerccsel.

A különleges TeSys Giga kontaktorok további lehetőségekkel is el vannak látva, mint például a tekercsfeszültségek nagyobb választéka, kisebb tekercsáram-felvétel, PLC-bemenet, valamint olyan kábelkialakítás, amely lehetővé teszi a karbantartást a kábelek és a gyűjtősín-csatlakozók eltávolítása nélkül.

A különleges változatok kompatibilisek a következő szakaszban tárgyalt, külön rendelhető elhasználódás-távdiagnosztikai (RWD, remote wear diagnosis) modullal is. Példák a különleges kontaktorokra:

• LC1G115BEEA, 3P kialakítás AC-3 terhelésekhez. 115 A áramerősségre méretezve, 24–48 V-os egyen-/váltakozó áramú tekerccsel.
• LC1G800EHEA, 3P kialakítás AC-3 terhelésekhez. 800 A áramerősségre méretezve, 48–130 V-os egyen-/váltakozó áramú tekerccsel.

Minden TeSys Giga kontaktor előlapján található egy diagnosztikai LED a hibaállapotok gyors értékeléséhez (4. ábra).

2. ábra: Egy jellegzetes TeSys Giga kontaktor, a diagnosztikai LED a készülék felső részén középen látható (kép: DigiKey)

A TeSys Giga kontaktoroknak számos beépített diagnosztikai funkciójuk van a megbízhatóság növelése és a megelőző karbantartás segítése érdekében, többek között a következők:

Érintkezőelhasználódás-diagnosztika és elhasználódás-távdiagnosztika

Az érintkezők minden alkalommal károsodnak valamennyit, amikor megszakítják az áramot a tápáramkörben. Az érintkező meghibásodása a motorvezérlés elvesztését eredményezi. A TeSys Giga vezérlőkben az érintkezőelhasználódási algoritmus folyamatosan számítgatja az érintkezők hátralévő élettartamát. Ha a hátralévő élettartam 15% alá csökken, riasztás jelenik meg, amely lehetővé teszi a megelőző karbantartás ütemezését:

• A helyi riasztást a kontaktor elején lévő Diagnosis (diagnosztikai) LED jelzi.
• A különleges kontaktorokkal használható a külön rendelhető RWD elhasználódás-távdiagnosztikai modul.

Vezérlőfeszültség-diagnosztika

A vezérlőfeszültség-diagnosztika a feszültségesést és túlfeszültséget figyeli. A diagnosztikai jelzés az LSEMC-re végződő cikkszámú egységeken távolról is elérhető a külön rendelhető eszköztávkezelő (RDM, remote device management) modul segítségével. Feszültségesésről akkor beszélünk, ha a tápfeszültség a minimális érték 80%-a alatt van, túlfeszültségről pedig akkor, ha a tápfeszültség meghaladja a maximális feszültség 110%-át.

A belső működés diagnosztikája

A Diagnosis (diagnosztikai) LED folyamatos villogása a vezérlőáramkör belső hibáját jelzi.

Motorvédő kapcsolóeszközök

Az olyan intelligens motorvezérlők, mint a TeSys Giga kontaktorok, fontos részét képezik az Ipar 4.0-s berendezéseknek. A motorvédő kapcsolóeszközök (MPSD) használata szintén fontos szempont a maximális termelékenység és minél nagyobb rendelkezésre állás biztosítása érdekében.

Az IEC 60947-4-1 szabvány meghatározása szerint a motorvédő kapcsolóeszköz egy késleltetéssel tervezett eszközt jelent, amely a motor túlterhelés elleni védelmére szolgál. A második típusú eszköz, a késleltetésmentes motorvédő kapcsolóeszköz (IMPSD) a motorvédő kapcsolóeszközök egy speciális típusa, amely azonnal kiold, amikor túlterhelést észlel. A késleltetésmentes motorvédő kapcsolóeszközök általában nem a váltakozó áramú motorok védelméhez kapcsolódnak.

A motor indítása a felhasználási területtől függően néhány másodpercet vagy akár több tíz másodpercet is igénybe vehet. A motorvédő kapcsolóeszközt úgy kell megtervezni, hogy megfeleljen a felhasználási terület biztonsági követelményeinek, ugyanakkor elkerülje az indokolatlan kioldásokat.

Az IEC 60947-4-1 a felhasználási területek egyedi igényeinek kielégítése érdekében a túlterhelésvédő relék több osztályát határozza meg. A kioldási osztály azt a leghosszabb időtartamot jelzi, amelynek elteltével a relé túlterhelés esetén kiold.

Az észak-amerikai és az IEC szerinti kioldási osztályok között vannak különbségek. Például a 10. osztály egy észak-amerikai kioldási osztály, amely a 600%-os túlterhelési áramerősség érzékelésétől számított 4–10 másodpercen belüli kioldást követel meg, leválasztva a túlterhelést. A 10A osztály egy IEC szerinti kioldási osztály, amely a 720%-os túlterhelési áramerősség érzékelésétől számított 2–10 másodpercen belüli kioldást követel meg, leválasztva a túlterhelést (1. táblázat).

1. táblázat: Példák a túlterhelésvédő relék osztályaira a névleges áramerősség (Ir) alapján (táblázat: Schneider Electric)

A 10A és a 10. kioldási osztály normál igénybevételű villanymotorokhoz alkalmas. A 20. osztály a nagy teljesítményű villanymotorokhoz ajánlott az indokolatlan kioldások elkerülése érdekében. A 30. osztályt nagyon hosszú indulási idejű villanymotorokhoz használják.

TeSys Giga túlterhelésvédő relék

A TeSys Giga túlterhelésvédő relék rendkívül rugalmasak, és váltakozó áramú motorokkal való használatra tervezték őket. A földzárlatvédelem, a fáziskiegyensúlyozatlanság-védelem és a kioldási osztály (5, 10, 20 és 30) beállításait az előlapon lehet megadni. Az előlapon riasztó- és állapotjelző LED-ek is találhatók. Ezeknek a reléknek nagy, állítható túlterhelésvédelmi tartományuk van, amelyek négy egymás tartományát átfedő típus segítségével 28 A-tól 630 A-ig terjedő áramerősségek kezelésére alkalmasak (3. ábra):

LR9G115, 28 A és 115 A között állítható.

LR9G225, 57 A és 225 A között állítható.

LR9G500, 125 A és 500 A között állítható.

LR9G630, 160 A és 630 A között állítható.

3. ábra: A TeSys Giga túlterhelésvédő relék előlapján találhatók az állapotjelző LED-ek és a védelmi beállítások (kép: DigiKey)

Hőtúlterhelés

A hőtúlterhelés-védelem egyfázisú és háromfázisú aszinkronmotoroknál használatos. A hőtúlterhelés-védelem áramerősségszintje a használt túlterhelésvédő relé típusa alapján állítható be. Ezenkívül a kioldási osztály és az ahhoz kapcsolódó késleltetés is beállítható. A hőtúlterhelés-védelem állítható automatikus vagy kézi visszaállításúra.

Fázisvesztés

A fázisvesztés elleni védelem a háromfázisú aszinkronmotorok túlmelegedés elleni védelmére szolgál. A túlterhelésvédő relé folyamatosan figyeli az egyes fázisok áramerősségét. Ha valamelyik fázisban az áramerősség kisebb, mint a névleges áramerősség (Ir) 0,1%-a, míg egy másik fázisban nagyobb, mint 0,8 Ir, a túlterhelésvédő relé 4 ±1 másodpercen belül kiold. A fázisvesztés elleni védelem nem kapcsolható ki, és kézzel kell visszaállítani.

Fáziskiegyensúlyozatlanság

A fáziskiegyensúlyozatlanság az aszinkronmotor túlmelegedését okozza. A leggyakoribb okai:

• hosszú fő tápvezeték
• hibás érintkező a bejövő kapcsolónál
• kiegyensúlyozatlan hálózat

Ha a kiegyensúlyozatlansági arány meghaladja a 40%-ot, a túlterhelésvédő relé 5 ±1 másodperc múlva működésbe lép. A fáziskiegyensúlyozatlanság-védelmet kézzel kell visszaállítani.

Földzárlat

A földzárlatvédelem a háromfázisú aszinkronmotorok védelmére szolgál. Földzárlat akkor következik be, amikor a terhelő áramkör szigetelése a rezgések, a nedvesség vagy más tényezők miatt hatástalanná válik. A túlterhelésvédő relé figyeli a földáramot (Ig). Ha az Ig több, mint az Ir 10%-a, a relé 1 ±0,2 másodperc alatt kiold. A földzárlatvédelmet kézzel kell visszaállítani.

Modulrendszerű felépítés

A TeSys Giga kontaktorok modulrendszerű felépítése különösen hasznos lehet akkor, ha az érintkezők túlzott elhasználódása tapasztalható, vagy ha túlterhelés vagy más rendellenes üzemi körülmények károsítják a villanymotor-vezérlőt. A vezérlőmodulok a különböző tekercsfeszültségekhez való alkalmazkodás érdekében szintén cserélhetők, ahogy a kapcsolómodul is, hogy cserélni lehessen az elhasználódott pólusokat.

A gyors karbantartás megkönnyítése érdekében egy külön rendelhető készlet segítségével kábelmemória-funkciót is be lehet vezetni. Ennek beszerelését követően a vezérlő- vagy kapcsolómodul gyorsan, a kábelek eltávolítása nélkül cserélhető.

Visszafelé járó villanymotorok

Az irányváltó kontaktorokat váltakozó áramú motorok forgásirányának megváltoztatására használják olyan felhasználási területeken, mint a szállítószalagok, liftek és csomagolósorok. Ezek úgy működnek, hogy megfordítják a bekötések polaritását, emiatt a motor az ellenkező irányban forog.

Az irányváltó kontaktor két mechanikus kényszerkapcsolással összekapcsolt alapváltozatú kontaktor felhasználásával hozható létre. A kényszerkapcsolás megakadályozza, hogy a kontaktorok egyszerre húzzanak be (6. ábra).

4. ábra: Két mechanikus kényszerkapcsolással összekapcsolt TeSys Giga kontaktor. Ez a kapcsolás váltakozó áramú motorok irányváltó kontaktoraként használható (ábra: Schneider Electric)

A következő alkatrészekből például egy 460 V feszültség mellett 200 LE (150 kW) teljesítményre méretezett, 100–250 V-os egyen- és váltakozó áramú tekercset tartalmazó irányváltó kontaktor építhető (6. ábra):

• LC1G265KUEN, TeSys Giga motorvezérlő, két darab szükséges
• DZ2FJ6, kontaktorsaru-készlet
• LA9G3612, összekötőlemezek
• LA9G3761, irányváltó kapocslécek
• LA9G970, mechanikus kényszerkapcsolás

Összegzés

A TeSys Giga kontaktorok és túlterhelésvédő relék rendkívül sokoldalú eszközök, amelyek sokféle felhasználási területen a maximálisra növelik a rugalmasságot és az üzemidőt. A kontaktorok 115 A és 900 A közötti teljesítményűek, és 3 pólusú (3P) vagy 4 pólusú (4P) kialakításúak. A rövidzárlati áramerősségük 480 V feszültség mellett akár 100 kA is lehet, és modulrendszerű kialakításuk felgyorsítja a karbantartást.

A programozható túlterhelésvédő reléknek kiterjedt az üzemi áramerősség-tartományuk, így kevés eszközzel sok felhasználási terület igényeit ki lehet elégíteni. Végül pedig két TeSys Giga kontaktort mechanikus kényszerkapcsolással összekapcsolva kétirányú forgásvezérlést lehet megvalósítani.