Využití jednotek měkkého startéru k řešení problémů se spouštěním a kybernetickou bezpečností motorů

Třífázové asynchronní motory napájené střídavým napětím a dimenzované na výkon v řádu desítek až stovek koňských sil (HP) jsou hnací silou mnoha komerčních a průmyslových aplikací. Obvykle odebírají proudy přibližně od 10 A do více než 1000 A při síťovém napětí od mírně přes 200 V AC (V_AC) až do 700 V_AC. Problém pro konstruktéry spočívá ve skutečnosti, že motory při startu odebírají velké náběhové proudy, které mohou poškodit motor a narušit zátěž.

Tento náběhový proud kontroluje řídicí jednotka měkkého startéru zařazená mezi napájecí sítí a motorem ovládáním zrychlení a záběrového momentu motoru, čímž optimalizuje jeho výkon a minimalizuje nežádoucí důsledky. Pokročilejší měkké startéry přidávají pokročilé funkce na maximalizaci výkonu, zahrnují elektrickou a tepelnou ochranu, nabízejí robustní sadu možností připojení a chrání před kybernetickými útoky.

Tento článek popisuje funkce měkkého startéru. Poté představí řídicí jednotky měkkého startéru Altivar ATS480 od společnosti Schneider Electric a ukáže způsob jejich využití.

Funkce měkkého startéru

Měkký startér se používá s motorem ke snížení náběhového proudu a regulaci točivého momentu na přechodnou dobu během spouštění. Startér postupně zvyšuje napětí přiváděné do motoru, což se projevuje v plynulém zrychlení s minimálními rázy (rychlost změny zrychlení).

Startéry obvykle nabízejí funkci umožňující uživateli nastavit záběrový moment a dobu zrychlení tak, aby vyhovovaly různým aplikacím. Mohou výrazně snížit rozběhový proud potřebný k uvedení motoru do chodu a omezit proud během zrychlování.

Novější měkké startéry nabízejí další funkce, které zvyšují účinnost, udržují vysokou hodnotu účiníku (PF) pomocí dynamické kompenzace, zvyšují elektrickou bezpečnost, detekují anomálie v napájecí síti a v motoru, poskytují síťové připojení a řeší problémy kybernetické bezpečnosti.

Příkladem schopností a funkcí nejmodernějších měkkých startérů jsou produkty řady Altivar ATS480 od společnosti Schneider Electric (obrázek 1).

Obrázek 1: měkký startér řady Altivar ATS480 přidává ke své základní funkci mnoho pokročilých funkcí. (Zdroj obrázku: Schneider Electric)

Tyto jednotky obsahují šest tyristorů a algoritmus regulace točivého momentu na řízení zrychlení, zpomalení a zastavení třífázových asynchronních motorů s kotvou nakrátko o výkonu až 900 kW. Široké rozpětí modelů této řady podporuje provozní napětí od 208 do 690 V a proudy od 17 A do 1200 A. Všechny jednotky splňují celosvětové normy, certifikace a regulační nařízení definující výkon, bezpečnost, účinnost, elektromagnetickou kompatibilitu (EMC), stupeň znečištění a otřesy a vibrace.

Jednotky ATS480 jsou vybaveny mnoha různými typy ochran vedení, startéru a zátěže, včetně následujících:

• Porucha fáze (síť)
• Integrovaná tepelná ochrana (motor)
• Tepelná ochrana (startér)
• Nadproudová ochrana (motor)
• Nedostatečná zátěž (motor)
• Příliš dlouhá doba spouštění, blokace rotoru (motor)
• Výpadek fáze motoru (motor)
• Výpadek fáze na straně sítě (síť, motor)
• Tepelná ochrana (motor) prostřednictvím přímého připojení k termistoru s kladným teplotním koeficientem (PTC) nebo k 2 nebo 3vodičovému odporovému teplotnímu detektoru (RTD) s platinovým termočlánkem 100 (PT100)

Existuje mnoho možností zapojení obvodů splňujících různorodé potřeby cílových aplikací. Například jedna základní konfigurace je zaměřena na lokální ovládání, kde je požadován ruční zásah k provedení restartu po odblokování poruchy, a to i v případě dálkového ovládání (obrázek 2). V tomto případě provede obsluha restart stisknutím tlačítka S3.

Obrázek 2: zde je znázorněna jedna z mnoha možností zapojení měkkého startéru; po odblokování poruchy musí uživatel ručně provést restart stisknutím tlačítka S3. (Zdroj obrázku: Schneider Electric)

Popisy označení komponent jsou definována v tabulce 1.

Tabulka 1: popisy označení komponent na obrázku 2. (Zdroj obrázku: Schneider Electric)

Jednotky ATS480 dále používají diskrétní spínací (NO) a rozpínací (NC) kontakty elektromechanického relé dimenzované na 2 A/250 V_AC a 30V digitální výstupy s otevřeným kolektorem. Tyto kontakty a výstupy zjednodušují implementaci dalších funkcí, jako jsou kontrolky nebo pomocná zařízení.

Konektivita a kybernetická bezpečnost

Kromě pokročilé funkce měkkého podporují všechny jednotky ATS480 širokou škálu možností připojení. Každá jednotka ATS480 je vybavena dvěma porty RJ45 pro účely konfigurace a aktualizace firmwaru a připojení externí zobrazovací jednotky s grafickým nebo textovým displejem. Každá je též vybavena jedním slotem pro připojení dalšího komunikačního modulu podporujícího formáty Modbus TCP, Ethernet/IP, CANopen, PROFINET nebo PROFIBUS DP.

Tato konektivita nevyhnutelně přináší bezpečnostní problémy. Jako řešení těchto problémů jsou v jednotkách zaneseny „osvědčené postupy“ v oblasti kybernetické bezpečnosti, které mají chránit před úmyslným zneužitím (hackerstvím) a před dobře míněnými, ale neopatrnými činnostmi zaměstnanců nebo dodavatelů. Tyto ochrany zahrnují správu účtů, včetně ověřování a autorizace uživatelů, a několik vrstev ochrany heslem. Existují také záměrná omezení různých portů, funkcí a zdrojů.

Vyšší úroveň zabezpečení zahrnuje hloubkovou proaktivní ochranu pro správu událostí souvisejících s kybernetickou bezpečností, včetně podrobných záznamů aktivit s časovým a uživatelským razítkem. Autentičnost nainstalovaného firmwaru a případných upgradů zvyšuje firmware s digitálním podpisem a kryptografické klíče. Tím je zajištěno použití platného firmwaru při každém zapínacím cyklu.

Rozhraní člověk-stroj je také přizpůsobeno

Kromě rozsáhlé konektivity je u mnoha instalací s měkkým startem nutné zajistit také okamžitý a přímý přístup obsluhy. Základem tohoto přístupu je iniciace stavů CHOD a ZASTAVENÍ pomocí diskrétních, dobře viditelných a jasně označených spínačů umístěných na motoru, v jeho blízkosti či v blízkosti instalace. Tyto spínače jsou často předepsány regulačními bezpečnostními normami.

Pro splnění těchto požadavků mohou být jednotky ATS480 propojeny se dvěma nezávislými spínači chodu a zastavení nebo jedním spínačem chodu/zastavení (obrázek 3).

Obrázek 3: měkký startér může být zapojen tak, aby používal dvě nezávislá tlačítka zastavení a chodu nebo jeden spínač se dvěma funkcemi. (Zdroj obrázku: Schneider Electric)

Pro základní nastavení, spouštění a dotazování mohou konstruktéři použít zobrazovací jednotku VW3A1113 s osmiřádkovým prostým textem (obrázek 4). Pomocí dostupného konektoru RJ45 lze tuto jednotku připojit a namontovat na přední stranu měkkého startéru nebo na dveře skříně pomocí příslušenství pro vzdálenou montáž.

Obrázek 4: zobrazovací jednotka VW3A1113 s prostým textem, která se připojuje k měkkému startéru pomocí dodávaného konektoru RJ45, podporuje základní funkce nastavení, chodu a dotazování. (Zdroj obrázku: Schneider Electric)

Tato jednotka s podporou více jazyků (angličtina, francouzština, španělština, italština, němčina a čínština, dalšími jazyky jsou dostupné ke stažení) vyžaduje heslo pro přihlášení, aby byla zajištěna bezpečnost systému. Po připojení ji lze používat k následujícím účelům:

• Ovládání, úprava a konfigurace měkkého startéru
• Zobrazení aktuálních hodnot motoru, vstupu/výstupu a strojových dat
• Ukládání a stahování konfigurací
• Duplikace konfigurace jednoho zapnutého měkkého startéru na jiný, který je též zapnutý

Pro pokročilejší diagnostiku, ovládání, monitorování a správu souborů lze používat Správce typů zařízení (DTM) a software SoMove od společnosti Schneider s počítačovým uspořádáním grafické zobrazovací jednotky.

Pouzdro a tvarový faktor jsou určeny jmenovitým výkonem

Ačkoli jednotky měkkého startéru skupiny Altivar ATS480 nabízejí stejné funkce, možnosti, uživatelská rozhraní a konektivitu, liší se úrovní hnacího výkonu. Tato hodnota definuje vhodné pouzdro a tvarový faktor, který lze snadno zjistit pohledem na jednotlivé členy řady s nejnižším a nejvyšším výkonem.

Jednotka ATS480D17Y (obrázek 5, vlevo), která je dimenzovaná pro napájení a ovládání třífázových střídavých motorů s odběrem proudu 17 A a napětím 208 až 690 V_AC, pracuje s ovládacím napětím 110 až 230 V_AC. Měří 275 mm na výšku, 160 mm na šířku, 8 mm do hloubky a váží těsně pod 5 kg.

Obrázek 5: nejmenší (vlevo) a největší (vpravo) jednotky měkkých startérů skupiny Altivar ATS480 jsou funkčně podobné, pokrývají však široký rozsah proudových zatížitelností a hmotností. (Zdroj obrázku: Schneider Electric)

Naopak jednotka ATS480M12Y (obrázek 5, vpravo) je dimenzována na mnohem vyšší proud 1200 A při napájecím napětí 208 až 690 V_AC a pracuje s ovládacím napětím 110 až 230 V_AC. Ačkoli nabízí vlastnosti a funkce téměř identické s jednotkou 17 A, má mnohem větší rozměry: 890 mm výška, 770 mm šířka, 329 mm hloubka a hmotnost 115 kg.

Závěr

Měkké startéry jsou základním spojovacím článkem mezi vícefázovou napájecí soustavou a středními až velkými třífázovými střídavými motory, u kterých regulují náběhový proud. Měkké startéry řady Altivar ATS480 od společnosti Schneider Electric podporují motory s odběrem proudu 17  A až 1200 A s rozsáhlou síťovou konektivitou a vylepšenou kybernetickou bezpečností. Poskytují také různé funkce na zlepšení výkonu, bezpečnosti a spolehlivosti.