Ochrana drahých strojů pomocí levných třífázových monitorovacích relé

Většina komerčních a průmyslových strojů v systémech vytápění, větrání a klimatizace (HVAC), úpravnách vody, manipulaci s materiálem, obráběcích strojích, námořních a leteckých aplikacích je poháněna třífázovými motory. Tato spolehlivá zařízení mohou být poškozena řadou poruchových stavů, které, pokud nejsou rychle řešeny, mohou vést k závadě nebo alespoň ke zkrácení provozní životnosti, což má za následek značné prostoje a náklady na opravy.

K detekci těchto poruch, upozornění operátorů a zastavení stroje dříve, než dojde k trvalému poškození, lze použít fázová monitorovací relé. Tato relé dokáží detekovat, že jsou přítomny všechny tři fáze, že mají správný sled a fázová napětí ve správném rozsahu. Pokud dojde k chybě, může relé otevřít sadu kontaktů, které mohou spustit alarm nebo vypnout stroj.

K dispozici je široká škála relé s fázovým snímáním, která zvládnou široký rozsah napětí, třífázových konfigurací a chybových stavů. Tento článek stručně pojednává o možných režimech selhání motoru a o tom, jak fungují relé s fázovým snímáním. Dále je zde popsán výběr a použití třífázových monitorovacích relé na příkladech z reálného světa od společnosti Carlo Gavazzi.

Režimy selhání třífázových motorů

Mezi běžné závady patří v řadě průmyslových odvětví závady související s třífázovým zdrojem energie a jeho vlivem na motory. Ztráta jedné ze tří fází nebo nevyváženost fázových napětí může vést k vyšším než normálním proudům ve zbývajících fázích motoru, což vede ke ztrátě mechanického výkonu a nadměrným mechanickým vibracím. Podobně podpětí a přepětí nutí motor zvýšit proud, aby poháněl stejnou zátěž, což může zkrátit životnost motoru.

Další možností je nesprávný sled fází, který by mohl způsobit obrácení směru motoru, což může mít na straně zátěže motoru katastrofální následky.

Funkce fázových monitorovacích relé

Fázová monitorovací relé mají řadu funkcí souvisejících se stavem třífázového napájecího zdroje. Jsou napájena třífázovým vedením, které monitorují. Všechny sledují sled fází a ztrátu případného fázového napětí. Relé se aktivují, když jsou přítomny všechny fáze a je správná sekvence napájení. V případě ztráty některé z fází nebo nesprávného sledu fází je relé bez napětí. Některá fázová monitorovací relé monitorují také úrovně napětí všech tří fází. Určení napětí využívá měření skutečné efektivní hodnoty („true root mean square“, TRMS) a deaktivuje relé, když amplituda klesne pod přednastavenou prahovou hodnotu. Některá zařízení nabízejí stejnou detekci amplitudy, ale mají uživatelsky nastavitelné limity. Řada modelů relé monitoruje fázovou asymetrii a toleranci. Všechna relé nabízejí zpoždění před aktivací kvůli úrovni napětí nebo problémům s asymetrií, aby se zabránilo falešné aktivaci. U některých modelů je zpoždění programovatelné.

Možnosti fázových monitorovacích relé

Model DPA01CM44 od společnosti Carlo Gavazzi Inc. je příkladem relé citlivého na fáze pro třívodičové konfigurace (obrázek 1). Řada je napájena z třífázového zdroje, přičemž jsou k dispozici modely, které pracují s napětím 230, 400, 600 a 690 V AC. Tato relé jsou určena pro montáž na lištu DIN a k dispozici jsou i zásuvné verze. Konfigurace reléových výstupů jsou buď s jedním jednopólovým kontaktem s dvojitým výstupem („single-pole double-throw“, SPDT) nebo s duálními kontakty SPDT.

Obrázek 1: Model DPA01CM44 je fázové monitorovací relé s montáží na lištu DIN pro třífázové vedení 208 až 480 V AC s výstupem reléového kontaktu SPDT. (Zdroj obrázku: společnost Carlo Gavazzi Inc.)

Za normálních napěťových podmínek se relé aktivuje, což znamená, že spínací („normally open“, NO) kontakty reléového výstupu jsou sepnuté a rozpínací („normally closed“, NC) výstupní kontakty jsou rozpojené. K operaci relé dojde do 100 ms. Stavové indikátory LED na předním panelu indikují zapnutí napájení a aktivaci relé.

Fázová monitorovací relé DPA01 mohou být instalována k monitorování libovolného třífázového vedení (příklad 1 na obrázku 2) nebo mohou být spojena s třífázovým motorem (příklad 2).

Obrázek 2: Příklady aplikací pro třífázové monitorovací relé řady DPA01. Na příkladu 1 (vlevo) je ukázáno připojení k monitorování třífázového vedení. Na příkladu 2 (vpravo) je ilustrováno jeho použití k monitorování třífázového motoru. (Zdroj obrázku: společnost Carlo Gavazzi Inc.)

Když dojde v některé z aplikací k chybovému stavu, stykač připojený k relé příslušným způsobem otevře pokračující třífázový obvod, zatímco monitorovací relé zůstane připojeno ke zdroji napájení. Při připojení k monitorování třífázového vedení bez motoru není problém detekovat mrtvou fázi, protože úroveň chybějícího vstupu výrazně klesá. Když je monitor připojen k motoru, chod motoru bude mít v důsledku vnitřní indukční vazby tendenci regenerovat chybějící fázi. Relé je nastaveno tak, aby detekovalo chybějící fázi, pokud je amplituda menší než 85 % jmenovitého třífázového napětí. V důsledku toho je důležité ověřit, že regenerace motoru je nižší než 85 % jmenovitého síťového napětí.

V aplikacích, které vyžadují vlastní prahovou hodnotu přepětí nebo podpětí, lze použít multifunkční fázové monitorovací relé DPB01CM48 společnosti Carlo Gavazzi. Toto relé detekuje přepětí a podpětí stejně jako ztrátu fáze a nesprávný sled fází. Prahové úrovně přepětí a podpětí jsou uživatelsky nastavitelné pomocí přepínače na předním panelu (obrázek 3).

Obrázek 3: Multifunkční fázové monitorovací relé DPB01CM48 monitoruje ztrátu fáze, sled fází a prahové hodnoty přepětí a podpětí volitelné pomocí ovládacích prvků na předním panelu. Provozní zpoždění pro aktivaci přepětí a podpětí je uživatelsky nastavitelné, aby se minimalizovala přechodná aktivace. (Zdroj obrázku: společnost Carlo Gavazzi Inc.)

Toto relé se také montuje na lištu DIN a podporuje třífázové trojúhelníkové topologie a topologie ve tvaru hvězdy / písmene Y. Má uživatelsky programovatelné napěťové rozsahy volitelné jako sdružená napětí 380, 400, 415, 480 V AC a fázová napětí 220, 230, 240 a 277 V AC. Topologie obvodu a rozsahy napětí se nastavují pomocí interního DIP přepínače. Samostatný model z řady DPB01 zvládá nižší rozsahy napětí.

Na předním panelu relé jsou tři ovládací knoflíky. Pomocí horního knoflíku se nastavuje spodní napěťový práh od −2 do −22 % jmenovitého napětí, pomocí prostředního knoflíku se nastavuje horní napěťový práh od 2 do 22 % jmenovitého napětí a nejnižší ovládací prvek slouží k nastavení provozního zpoždění mezi 10 ms až 30 s. Zpoždění se používá k prevenci, aby krátkodobé napěťové přechodové jevy náhodně nevypínaly relé.

Na předním panelu relé jsou tři LED diody, které indikují jeho stav. Zelený LED indikátor informuje, že je napájení zapnuto. Žlutý LED indikátor informuje, že je relé pod napětím. Dojde-li k události alarmu, žlutý LED indikátor zhasne a relé se po uplynutí časového limitu deaktivuje a bude blikat červený LED indikátor. Pokud byla chyba v přepětí nebo podpětí, bliká červený LED indikátor s frekvencí 2 Hz a relé se po uplynutí nastaveného času deaktivuje. Pokud dojde ke ztrátě fáze nebo nesprávnému sledu fází, relé se do 200 ms deaktivuje a po dobu trvání chybového stavu bude červený LED indikátor blikat s frekvencí 5 Hz.

Fázové monitorovací relé DPC01DM69 má nejúplnější sadu funkcí od společnosti Carlo Gavazzi (obrázek 4). Toto relé pro montáž na lištu DIN monitoruje sled fází a ztrátu fáze, jakož i podpětí a přepětí, fázovou symetrii a toleranci.

Obrázek 4: Model DPC01DM69 je fázové monitorovací relé pro montáž na lištu DIN s LED indikátory na levém okraji indikujícími stav relé (žlutý), stav alarmu (červený) a stav napájení (zelený). Pomocí ovládacích prvků se nastavují prahové hodnoty tolerance/asymetrie nebo přepětí/podpětí a zpoždění relé. (Zdroj obrázku: společnost Carlo Gavazzi Inc.)

Co se týče volby rozsahu provozního napětí a třífázové topologie, funguje model DPC01DM69 podobně jako relé DPB01CM48. Relé nabízí výběr dalších DIP přepínačů pro zpoždění zapnutí (1 s nebo 6 s), konfiguraci výstupu (duální sada kontaktů SPDT nebo jedna sada dvoupólových kontaktů se dvěma výstupy („double-pole, double-throw“, DPDT) a funkce monitorování přepětí/podpětí nebo asymetrie/tolerance.

Relé DPC01CM69 pracuje ve třech různých režimech v závislosti na typu alarmu. Ztráta fáze nebo nesprávný sled fází způsobí ztrátu napájení výstupních relé 1 a 2. Událost přepětí nebo asymetrie způsobí, že výstupní relé 1 ztratí napájení na konci předem nastaveného zpoždění 1, a událost podpětí nebo překročení tolerance způsobí, že výstupní relé 2 ztratí napájení na konci přednastavené doby zpoždění 2. Toto uspořádání se dvěma výstupy umožňuje větší flexibilitu v reakci na různé alarmové události.

Asymetrie je ukazatelem kvality napájecího zdroje a je definována jako absolutní hodnota maximální odchylky síťových napětí dělená jmenovitým napětím 3fázového systému. Dalším ukazatelem kvality napájecího zdroje je tolerance a je definována jako absolutní hodnota maximální odchylky síťových napětí od jmenovitého napětí dělená jmenovitým napětím 3fázového systému (obrázek 5).

Obrázek 5: Rovnice pro asymetrii a toleranci třífázového zdroje. (Zdroj obrázku: společnost Carlo Gavazzi Inc.)

Obecně by nevyvážení třífázových vedení mělo být menší než 2 %, aby se zabránilo přehřátí třífázového motoru. Všimněte si, že stupnice asymetrie a tolerance se na krytu relé DPC01CM69 pohybuje od 2 do 22 %.

Závěr

V celé řadě průmyslových odvětví je sledování třífázového střídavého proudu zásadní, aby se zabránilo nákladným prostojům způsobeným poškozenými motory. Ke snadnému a efektivnímu dosažení tohoto cíle nabízí společnost Carlo Gavazzi širokou škálu třífázových monitorovacích relé navržených pomocí nejsofistikovanějších měřicích technik, které zároveň nabízejí snadné nastavení. Relé sahají od jednoduchých zařízení, která monitorují ztrátu fáze a sled fází, až po složitější monitory, které navíc snímají přepětí a podpětí stejně jako fázovou asymetrii a toleranci. Tato fázová monitorovací relé poskytují záruku, že problémy se třífázovým zdrojem napájení nezpůsobí poškození drahých strojů.