Jak může inteligentní řízení motoru maximalizovat odolnost a provozuschopnost

Je zapotřebí inteligentní řízení motoru, které dokáže maximalizovat odolnost a dobu provozuschopnosti strojů ve výrobě nové generace Průmyslu 4.0, při zpracování kovů a základních materiálů, dolování a těžbě nerostů a v kritické infrastruktuře, jako jsou zařízení na výrobu pitné vody a čistírny odpadních vod.

Řízení motorů v těchto aplikacích musí být schopno řídit a chránit motory o výkonu od 75 k do 700 k. Pro podporu odolného provozu je zapotřebí komplexní ochrana, včetně ochrany proti přetížení, ochrany proti zemnímu spojení a ochrany proti nevyváženosti fází.

Mělo by také zahrnovat autodiagnostiku pro opotřebení kontaktů a detekci přepětí/podpětí cívky s viditelnými indikátory pro podporu prediktivní údržby a také by mělo mít modulární konstrukci pro rychlejší servis, aby se maximalizovala doba provozuschopnosti. Je nutné zajistit shodu s jmenovitým zkratovým proudem („short circuit current rating“, SCCR) definovaným v americkém elektrickém zákoně („National Electrical Code“, NEC), normami UL a Mezinárodní elektrotechnickou komisí („International Electrotechnical Commission“, IEC), aby bylo zajištěno, že elektrické zařízení vydrží vysoké proudy bez poškození a že je bezpečné.

Tyto řídicí prvky motoru musí také splňovat normu IEC 60947-4-1, která pokrývá bezpečnost elektromechanických stykačů a spouštěčů, včetně ochranných spínacích zařízení motoru („motor protective switching devices“, MPSD), ochranných spínacích zařízení motoru s okamžitým účinkem („instantaneous-only motor protective switching devices“, IMPSD) a ovládačů stykačových relé.

Tento článek začíná přehledem požadavků SCCR. Poté se podrobně zabývá nedávno vyvinutou řadou inteligentních řídicích prvků motoru od společnosti Schneider Electric, včetně modulárních stykačů a relé vypínajících při přetížení, s podrobným popisem činnosti ochranných funkcí a způsobu implementace autodiagnostiky.

V článku se sleduje, jak tato relé vypínající při přetížení splňují požadavky normy IEC 60947-4-1, a představuje, jak modulární konstrukce urychluje preventivní údržbu. Na závěr se zabývá tím, jak lze dva stykače použít k sestavení reverzační sestavy, která umožňuje obousměrné řízení střídavých motorů.

SCCR je základní charakteristikou při specifikaci řídicího panelu, který přispívá k celkové spolehlivosti. Používá se při dimenzování výkonových součástek, jako jsou kontraktory a vodiče. V normě IEC 60947-4-1 jsou podrobně popsány tři fáze výpočtu SCCR (obrázek 1):

1. Identifikace SCCR jednotlivých ochranných anebo řídicích součástek a jednotlivých bloků a prvků v distribučním systému
2. Určení SCCR jednotlivých větví obvodu; na základě hodnot součástek v obvodu
3. Určení SCCR celého řídicího panelu; na základě hodnot obvodů

Obrázek 1: Výpočty SCCR začínají jmenovitými hodnotami jednotlivých součástek (žluté rámečky). Dále se postupuje směrem nahoru a určuje SCCR větví obvodů (červený přerušovaný rámeček) a poté se zvažují potřeby SCCR celého řídicího panelu (šedý obdélník). (Zdroj obrázku: společnost Schneider Electric)

Stykače TeSys Giga

Stykače TeSys Giga jsou k dispozici s jmenovitými hodnotami od 115 do 900 A v 3pólových (3P) a 4pólových (4P) konfiguracích. Mají jmenovité hodnoty SCCR do 100 kA a 480 V, přičemž specifika pro různá ochranná zařízení a jmenovité hodnoty jsou uvedeny v tabulce na boku stykače. U 4P stykačů jsou navíc uvedeny jmenovité hodnoty motoru AC-3 a HP. Tyto stykače jsou k dispozici pro dvě kategorie zatížení:

• AC-1 – platí pro AC zatížení, kde je účiník vyšší než 0,95. Jedná se především o neinduktivní nebo mírně induktivní zatížení, jako jsou například odporová zatížení. Přerušení oblouku vede k minimálnímu oblouku a opotřebení kontaktů.
• AC-3 – platí pro motory s kotvou nakrátko s přerušením během normálního chodu motoru. Při uzavírání dochází k náběhovému proudu až sedminásobku jmenovitého proudu plného zatížení motoru. Při otevření stykač přeruší jmenovitý proud plného zatížení motoru.

Stykače TeSys Giga mohou být napájeny střídavým („alternating current“, AC) nebo stejnosměrným („direct current“, DC) řídicím napětím a mají vestavěné ochrany proti přepětí. K dispozici jsou dvě verze stykačů, standardní a pokročilé. Standardní stykače jsou určeny pro všeobecné použití. Mezi příklady patří:

• LC1G1154LSEN, 4P model pro zatížení AC-1; jmenovitý proud 250 A s širokopásmovou cívkou 200–500 V AC/DC
• LC1G225KUEN, 3P model pro zatížení AC-3; jmenovitý proud 225 A s cívkou 100–250 V AC/DC

Pokročilé stykače TeSys Giga mají další funkce, jako je větší výběr napětí cívky, nižší spotřeba energie cívky, vstup pro programovatelný logický automat („programmable logic controller“, PLC) a provedení kabelů, které umožňuje údržbu bez odstraňování kabelů nebo přípojnic.

Pokročilé modely jsou také kompatibilní s volitelným modulem vzdálené diagnostiky opotřebení („Remote Wear Diagnosis“, RWD) popsaným v další části. Mezi příklady pokročilých stykačů patří:

• LC1G115BEEA, 3P model pro zatížení AC-3; jmenovitý proud 115 A s cívkou 24–48 V AC/DC
• LC1G800EHEA, 3P model pro zatížení AC-3; jmenovitý proud 800 A s cívkou 48–130 V AC/DC

Všechny stykače TeSys Giga obsahují na předním panelu LED diodu Diagnosis pro rychlé vyhodnocení poruchových stavů (obrázek 2).

Obrázek 2: Typický stykač TeSys Giga s LED diodou Diagnosis uprostřed horní části zařízení. (Zdroj obrázku: společnost DigiKey)

Stykače TeSys Giga mají několik integrovaných diagnostických funkcí, které zvyšují spolehlivost a podporují preventivní údržbu, včetně následujících:

Diagnostika opotřebení kontaktů a modul RWD

Kontakty se opotřebovávají pokaždé, když se přeruší proud v napájecím obvodu. Selhání kontaktu vede ke ztrátě řízení motoru. Algoritmus opotřebení kontaktů v řídicích jednotkách TeSys Giga průběžně vypočítává zbývající životnost kontaktů. Když je zbývající životnost nižší než 15 %, je vydáno upozornění, které umožní naplánovat preventivní údržbu:

• Místní upozornění je viditelné na LED diodě Diagnosis na přední straně stykače.
• U pokročilých stykačů lze použít volitelný modul RWD.

Diagnostika řídicího napětí

Řídicí napětí monitoruje stavy podpětí a přepětí. Indikace diagnostiky je u zařízení s čísly dílů končícími na LSEMC dostupná vzdáleně pomocí volitelného modulu vzdálené správy zařízení („remote device management“, RDM). Podpětí je definováno jako napájecí napětí nižší než 80 % minimální specifikace a přepětí je definováno jako vyšší než 110 % maxima.

Diagnostika vnitřního fungování

Nepřetržité blikání LED diody Diagnosis indikuje jakoukoli vnitřní poruchu řídicích obvodů.

Ochranná spínací zařízení motoru

Inteligentní ovládací prvky motoru, jako jsou stykače TeSys Giga, jsou důležitou součástí instalací Průmyslu 4.0. Použití MPSD je také důležitým faktorem pro zajištění maximální produktivity a dostupnosti.

V normě IEC 60947-4-1 se pojmem MPSD označuje zařízení navržené se zpožděním k ochraně motoru před přetížením. Druhý typ zařízení, IMPSD, je specifický typ MPSD, který se vypne okamžitě po zjištění přetížení. IMPSD obvykle nejsou spojována s ochranou střídavého motoru.

V závislosti na aplikaci může spuštění motoru trvat několik sekund nebo několik desítek sekund. MPSD musí být specifikováno tak, aby splňovalo požadavky aplikace na bezpečnost a aby se zároveň zabránilo rušivému vypínání.

K uspokojení specifických požadavků aplikací definuje norma IEC 60947-4-1 několik tříd relé vypínajících při přetížení. Třída vypnutí udává maximální dobu, za kterou se relé při přetížení rozepne.

Existují také rozdíly mezi severoamerickými a IEC třídami vypnutí. Například třída 10 je třída vypnutí v Severní Americe, která vypne přetížení do 4–10 sekund od detekce 600 % nastaveného proudu přetížení. Třída 10A je třída vypnutí IEC, která vypne přetížení do 2–10 sekund od detekce 720 % nastaveného proudu přetížení (tabulka 1).

Tabulka 1: Příklady tříd tepelných relé vypínajících při přetížení na základě jmenovitého proudu (Ir). (Zdroj tabulky: společnost Schneider Electric)

Třídy vypnutí 10A a 10 jsou vhodné pro motory s běžným zatížením. Třída 20 se doporučuje pro motory s vysokým zatížením, aby se zabránilo rušivému vypínání. Třída 30 se používá u motorů s velmi dlouhým rozběhem.

Relé TeSys Giga vypínající při přetížení

Tepelná relé TeSys Giga vypínající při přetížení jsou vysoce flexibilní a jsou určena pro použití se střídavými motory. Na předním panelu lze konfigurovat nastavení ochrany proti zemnímu spojení, ochrany proti fázové nesymetrii a třídy vypnutí (5, 10, 20 a 30). Na předním panelu jsou také alarmové a stavové LED diody. Mají široké nastavitelné rozsahy tepelné ochrany proti přetížení, které umožňují čtyřem překrývajícím se modelům zvládnout aplikace od 28 A do 630 A (obrázek 3):

LR9G115, nastavitelný od 28 do 115 A

LR9G225, nastavitelný od 57 do 225 A

LR9G500, nastavitelný od 125 do 500 A

LR9G630, nastavitelný od 160 do 630 A

Obrázek 3: Přední panel relé TeSys Giga vypínajících při přetížení obsahuje stavové LED diody a nastavení ochrany. (Zdroj obrázku: společnost DigiKey)

Tepelné přetížení

Tepelná ochrana proti přetížení se používá u jednofázových a třífázových asynchronních motorů. Úroveň proudu pro ochranu proti tepelnému přetížení lze nastavit na základě modelu použitého relé vypínajícího při přetížení. Kromě toho lze nastavit třídu vypnutí a související zpoždění. Tepelnou ochranu proti přetížení lze nastavit na automatické nebo ruční resetování.

Ztráta fáze

Ochrana proti ztrátě fáze se používá k ochraně třífázových asynchronních motorů před přehřátím. Relé vypínající při přetížení nepřetržitě monitoruje proud v každé fázi. Když je hodnota proudu v jedné z fází nižší než 0,1 jmenovitého proudu (Ir) a hodnota proudu v jiné fázi je vyšší než 0,8 Ir, sepne relé vypínající při přetížení do 4 ±1 s. Ochranu proti ztrátě fáze nelze deaktivovat a musí být resetována ručně.

Nevyváženost fází

Nevyváženost fází způsobuje přehřátí asynchronního motoru. Mezi běžné příčiny patří:

• Dlouhé hlavní napájecí vedení
• Vadný kontakt na spínači přívodu
• Nevyvážená síť

Pokud poměr nevyváženosti překročí 40 %, sepne relé vypínající při přetížení za 5 ±1 s. Ochranu proti nevyváženosti fází je nutné resetovat ručně.

Zemní spojení

Ochrana proti zemnímu spojení se používá k ochraně třífázových asynchronních motorů. K zemnímu spojení dochází, když se izolace na zátěžovém obvodu stane neúčinnou v důsledku vibrací, vlhkosti nebo jiných faktorů. Relé vypínající při přetížení monitoruje zemní proud (Ig). Pokud Ig překročí více než 10 % Ir, relé vypne za 1 ± 0,2 s. Ochranu proti zemnímu spojení je nutné resetovat ručně.

Modularita

Modulární konstrukce stykačů TeSys Giga může být zvláště užitečná, pokud dojde k nadměrnému opotřebení kontaktů nebo pokud přetížení nebo jiné abnormální provozní podmínky poškodí řídicí jednotku. Řídicí moduly lze také vyměnit, aby se přizpůsobily různým napětím cívek, a spínací modul lze vypnout a vyměnit opotřebované póly.

Pomocí volitelné sady lze pro usnadnění rychlé údržby implementovat funkci kabelové paměti. Po instalaci lze řídicí nebo spínací modul rychle vyměnit bez odpojování kabelů.

Zpětný chod

Reverzační stykače se používají ke změně směru otáčení střídavých motorů v aplikacích, jako jsou dopravníky, výtahy a balicí linky. Fungují tak, že se změní polarita spojů, což způsobí, že se motor otáčí v opačném směru.

Reverzační stykač lze vyrobit pomocí dvou mechanicky vzájemně blokovaných standardních stykačů. Vzájemné blokování zabraňuje současnému zapnutí stykačů (obrázek 4).

Obrázek 4: Dva stykače TeSys Giga vzájemně blokované tak, aby tvořily reverzační stykač pro střídavé motory. (Zdroj obrázku: společnost Schneider Electric)

Reverzační stykač dimenzovaný na 200 k při 460 V s cívkou 100–250 V AC/DC (obrázek 4) lze například sestavit z následujících součástek:

• LC1G265KUEN, řídicí jednotka motoru TeSys Giga, jsou vyžadovány dvě
• DZ2FJ6, sada oček stykače
• LA9G3612, spreadery
• LA9G3761, přepínací tyče
• LA9G970, mechanické vzájemné blokování

Souhrn

Stykače a relé TeSys Giga vypínající při přetížení jsou vysoce univerzální zařízení, která mohou maximalizovat odolnost a dobu provozuschopnosti v široké řadě aplikací. Stykače mají jmenovité hodnoty od 115 do 900 A v 3P a 4P konfiguracích. Mají SCCR až do 100 kA, 480 V a jejich modulární konstrukce urychluje údržbu.

Programovatelná relé vypínající při přetížení mají široký rozsah provozních proudů, což umožňuje, aby malý počet zařízení mohl uspokojit potřeby mnoha aplikací. A konečně, obousměrné řízení pohybu lze realizovat spojením dvou stykačů TeSys Giga se systémem mechanického vzájemného blokování.