Hvordan smarte motorstyringer kan maksimere modstandsdygtighed og oppetid

Der er brug for intelligente motorstyringer, som kan maksimere maskinernes modstandsdygtighed og oppetid i den næste generation af Industri 4.0-produktion, forarbejdning af metaller og basismaterialer, mineraludvinding og minedrift samt kritisk infrastruktur som drikkevands- og spildevandsanlæg.

Motorstyringerne i disse applikationer skal kunne styre og beskytte motorer mellem 75 hestekræfter (HK) og 700 HK. Omfattende beskyttelse, herunder overbelastningsbeskyttelse, jordfejlsbeskyttelse og beskyttelse mod faseubalance, er nødvendig for at understøtte modstandsdygtig drift.

De bør også omfatte selvdiagnosticering for kontaktslitage og registrering af over-/underspænding i spolen med synlige indikatorer for at understøtte forebyggende vedligeholdelse og have et modulært design til hurtigere service for at maksimere oppetiden. Overholdelse af National Electrical Code (NEC), UL og International Electrotechnical Commission (IEC) short circuit current rating (SCCR) er nødvendig for at sikre, at elektrisk udstyr kan modstå høje strømme uden at tage skade, og at det er sikkert.

Disse motorstyringer skal også overholde IEC 60947-4-1, som dækker sikkerheden for elektromekaniske kontaktorer og startere, herunder motorbeskyttelsesafbrydere (MPSD), øjeblikkelige motorbeskyttelsesafbrydere (IMPSD) og aktuatorer til kontaktorrelæer.

Denne artikel begynder med en oversigt over SCCR-krav. Derefter dykker den ned i en nyudviklet familie af intelligente motorstyringer fra Schneider Electric, herunder modulære kontaktorer og overbelastningsrelæer, der beskriver beskyttelsesfunktionerne, og hvordan selvdiagnosticering er implementeret.

Den ser på, hvordan disse overbelastningsrelæer opfylder kravene i IEC 60947-4-1 og præsenterer, hvordan det modulære design fremskynder forebyggende vedligeholdelse. Den slutter med at se på, hvordan to kontaktorer kan bruges til at samle en reverseringsenhed, der muliggør tovejsstyring af vekselstrømsmotorer.

SCCR er en vigtig egenskab, når man specificerer et kontrolpanel, som bidrager til den overordnede driftssikkerhed. Det bruges til at dimensionere strømkomponenter som entreprenører og ledere. IEC 60947-4-1 beskriver tre faser til beregning af SCCR (figur 1):

1. Identificer SCCR for hver beskyttelses- og/eller kontrolkomponent og hver blok og hvert element i distributionssystemet.
2. Bestem SCCR for hvert grenkredsløb. Baseret på værdierne af komponenterne i kredsløbet.
3. Bestem SCCR for hele kontrolpanelet. Baseret på kredsløbets værdier.

Figur 1: SCCR-beregninger begynder med individuelle komponentvurderinger (gule bokse), går videre til at bestemme SCCR for forgreningskredsløb (rød stiplet boks) og overvejer derefter SCCR-behovet for det færdige kontrolpanel (grå rektangel). (Billedkilde: Schneider Electric)

TeSys Giga kontaktorer

TeSys Giga-kontaktorer fås med nominelle værdier fra 115 til 900 ampere (A) i både 3-polede (3P) og 4-polede (4P) konfigurationer. De har SCCR'er på op til 100 kiloampere (kA) og 480 volt (V), og specifikationerne for de forskellige beskyttelsesanordninger og klassificeringer er anført i en tabel på siden af kontaktoren. Derudover viser 4P-kontaktorerne AC-3- og HK-motorens klassificering. Disse kontaktorer fås til to belastningskategorier:

• AC-1 - Dette gælder for vekselstrømsbelastninger, hvor effektfaktoren er mere end 0,95. Det er primært ikke-induktive eller let induktive belastninger, som f.eks. resistive belastninger. At bryde lysbuen resulterer i minimal lysbue og kontaktslitage.
• AC-3 - Dette gælder for kortslutningsmotorer med afbrydelse under normal drift af motoren. Ved lukning er der en indkoblingsstrøm på op til syv gange motorens nominelle fuldlaststrøm. Ved åbning bryder kontaktoren motorens nominelle fuldlaststrøm.

TeSys Giga-kontaktorer kan forsynes med vekselstrøm (AC) eller jævnstrøm (DC) og har indbyggede overspændingsbeskyttere. Der findes to versioner af kontaktorer, standard og avanceret. Standardkontaktorer er designet til almindelig brug. Eksemplerne omfatter:

• LC1G1154LSEN, 4P til AC-1-belastninger. Klassificeret til 250 A med en 200-500 V AC/DC bredbåndsspole
• LC1G225KUEN, 3P til AC-3-belastninger. Klassificeret til 225 A med en 100-250 V AC/DC spole

Avancerede TeSys Giga-kontaktorer har yderligere funktioner som et større udvalg af spolespændinger, lavere strømforbrug i spolen, en PLC-indgang (programmerbar logisk controller) og et kabeldesign, der muliggør vedligeholdelse uden at fjerne kabler eller samleskinneforbindelser.

Avancerede modeller er også kompatible med det valgfrie RWD-modul (Remote Wear Diagnosis), som beskrives i næste afsnit. Eksempler på avancerede kontaktorer omfatter:

• LC1G115BEEA, 3P til AC-3-belastninger. Klassificeret til 115 A med en 24-48 V AC/DC bredbåndsspole
• LC1G800EHEA, 3P til AC-3-belastninger. Klassificeret til 800 A med en 48-130 V AC/DC bredbåndsspole

Alle TeSys Giga-kontaktorer har en diagnose-LED på frontpanelet til hurtig evaluering af fejltilstande (figur 4).

Figur 2: Typisk TeSys Giga-kontaktor, der viser diagnose-LED'en øverst i midten af enheden. (Billedkilde: DigiKey)

TeSys Giga-kontaktorer har flere integrerede diagnostiske funktioner, der forbedrer pålideligheden og understøtter forebyggende vedligeholdelse, bl.a:

Diagnose af kontaktslid og RWD

Kontakterne slides, hver gang de bryder strømmen i strømkredsen. En kontaktfejl resulterer i tab af motorstyring. Kontaktslitagealgoritmen i TeSys Giga-styringer beregner løbende kontakternes resterende levetid. Når den resterende levetid er under 15 %, udsendes en advarsel, så der kan planlægges forebyggende vedligeholdelse:

• En lokal alarm er synlig på diagnose-LED'en på forsiden af kontaktoren.
• Et valgfrit RWD-modul kan bruges med avancerede kontaktorer.

Diagnose af kontrolspænding

Kontrolspændingen overvåger for under- og overspændingsforhold. Diagnoseindikationen er fjerntilgængelig på enheder med varenumre, der slutter på LSEMC, ved hjælp af et valgfrit RDM-modul (Remote Device Management). En underspænding defineres som en forsyningsspænding under 80 % af minimumsspecifikationen, og en overspænding defineres som større end 110 % af maksimum.

Diagnose af intern funktion

Kontinuerlig blinken af diagnose-LED'en indikerer en intern fejlfunktion i kontrolkredsløbet.

Motorbeskyttelsesafbrydere

Smarte motorstyringer som TeSys Giga-kontaktorer er en vigtig del af Industri 4.0-installationer. Brugen af MPSD'er er også en vigtig overvejelse for at sikre maksimal produktivitet og tilgængelighed.

I IEC 60947-4-1 henviser MPSD til en enhed, der er designet med en forsinkelse til at beskytte en motor mod overbelastningsforhold. En anden type enhed, en IMPSD, er en særlig type MPSD, der udløses med det samme, når den registrerer en overbelastning. IMPSD'er forbindes normalt ikke med AC-motorbeskyttelse.

Afhængigt af anvendelsen kan det tage et par sekunder eller flere gange ti sekunder at starte en motor. MPSD'en skal specificeres, så den opfylder applikationens krav til sikkerhed, samtidig med at generende udløsning undgås.

For at opfylde specifikke anvendelsesbehov definerer IEC 60947-4-1 flere klasser af overbelastningsrelæer. Udløserklassen angiver den maksimale tid, det tager for relæet at åbne, når der er overbelastning.

Der er også forskelle mellem nordamerikanske og IEC-udløserklasser. For eksempel er klasse 10 en nordamerikansk udløserklasse, der udløser overbelastningen inden for 4-10 sekunder efter registrering af 600 % af overbelastningsstrømmen. Klasse 10A er en IEC-udløserklasse, der udløser overbelastningen inden for 2-10 sekunder efter registrering af 720 % af overbelastningsstrømmen (tabel 1).

Tabel 1: Eksempler på klasser af termiske overbelastningsrelæer baseret på mærkestrøm (Ir). (Tabelkilde: Schneider Electric)

Udløserklasserne 10A og 10 er velegnede til motorer med normal belastning. Klasse 20 anbefales til kraftige motorer for at undgå generende udløsning. Klasse 30 bruges med en motor med meget lang starttid.

TeSys Giga overbelastningsrelæer

TeSys Giga termiske overbelastningsrelæer er meget fleksible og designet til brug med AC-motorer. Indstillinger for jordfejlsbeskyttelse, beskyttelse mod faseubalance og udløserklasse (5, 10, 20 og 30) kan konfigureres på frontpanelet. Frontpanelet indeholder også alarm- og status-LED'er. De har et bredt justerbart termisk overbelastningsbeskyttelsesområde, som gør det muligt for fire overlappende modeller at håndtere applikationer fra 28 A til 630 A (figur 3):

LR9G115, justerbar fra 28 til 115 A

LR9G225, justerbar fra 57 til 225 A

LR9G500, justerbar fra 125 til 500 A

LR9G630, justerbar fra 160 til 630 A

Figur 3: Frontpanelet på TeSys Giga overbelastningsrelæer indeholder status-LED'er og beskyttelsesjusteringer. (Billedkilde: DigiKey)

Termiske overbelastninger

Termisk overbelastningsbeskyttelse bruges med enfasede og trefasede asynkronmotorer. Strømniveauet for termisk overbelastningsbeskyttelse kan justeres ud fra modellen af det overbelastningsrelæ, der anvendes. Desuden kan udløserklassen og den tilhørende forsinkelse justeres. Termisk overbelastningsbeskyttelse kan indstilles til automatisk eller manuel nulstilling.

Fasetab

Beskyttelse mod fasetab bruges til at beskytte trefasede asynkronmotorer mod overophedning. Overbelastningsrelæet overvåger løbende strømmen i hver fase. Når den aktuelle værdi i en af faserne er lavere end 0,1 af den nominelle strøm (Ir), og den aktuelle værdi i en anden fase er større end 0,8 Ir, udløses overbelastningsrelæet inden for 4 ±1 sekunder. Beskyttelse mod fasetab kan ikke deaktiveres og skal nulstilles manuelt.

Fase-ubalancer

Faseubalancer forårsager overophedning af en asynkronmotor. Almindelige årsager inkluderer:

• Lang hovedforsyningsledning
• Defekt kontakt på indgangskontakten
• Ubalanceret netværk

Når ubalanceforholdet overstiger 40 %, udløses overbelastningsrelæet i løbet af 5 ±1 sekunder. Beskyttelse mod faseubalance skal nulstilles manuelt.

Jordfejl

Jordfejlsbeskyttelse bruges til at beskytte trefasede asynkronmotorer. En jordfejl opstår, når isoleringen på belastningskredsløbet bliver ineffektiv på grund af vibrationer, fugt eller andre faktorer. Overbelastningsrelæet overvåger jordstrømmen (Ig). Når Ig overstiger mere end 10 % af Ir, udløses relæet i løbet af 1 ±0,2 sekunder. Jordfejlsbeskyttelsen skal nulstilles manuelt.

Modularitet

Det modulære design af TeSys Giga-kontaktorer kan være særligt nyttigt, hvis der opstår for stort slid på kontakterne, eller hvis en overbelastning eller andre unormale driftsforhold beskadiger styringen. Kontrolmoduler kan også udskiftes for at tilpasse sig forskellige spolespændinger, og koblingsmodulet kan skiftes ud for at erstatte slidte poler.

En kabelhukommelsesfunktion kan implementeres med et valgfrit sæt for at lette hurtig vedligeholdelse. Når kontrol- eller koblingsmodulet er installeret, kan det hurtigt udskiftes uden at fjerne kablerne.

At køre baglæns

Reverserende kontaktorer bruges til at ændre AC-motorers rotationsretning i applikationer som transportbånd, elevatorer og pakkelinjer. De fungerer ved at vende forbindelsernes polaritet, hvilket får motoren til at rotere i den modsatte retning.

En reversibel kontaktor kan laves ved hjælp af to mekanisk sammenkoblede standardkontaktorer. Spærringen forhindrer kontaktorerne i at tænde samtidig (figur 6).

Figur 4: To TeSys Giga-kontaktorer sammenkoblet for at danne en reverseringskontaktor til AC-motorer. (Billedkilde: Schneider Electric)

Følgende komponenter kan f.eks. bruges til at bygge en reversibel kontaktor, der er beregnet til 200 HK ved 460 V med en 100-250 V AC/DC-spole (figur 6):

• LC1G265KUEN, TeSys Giga motorstyring, to påkrævet
• DZ2FJ6, sæt med kontaktorsko
• LA9G3612, spredere
• LA9G3761, reverseringsstænger
• LA9G970, mekanisk låsning

Oversigt

TeSys Giga kontaktorer og overbelastningsrelæer er meget alsidige enheder, der kan maksimere modstandsdygtigheden og oppetiden i en lang række applikationer. Kontaktorerne har nominelle værdier fra 115 til 900 A i 3P- og 4P-konfigurationer. De har SCCR op til 100 kA 480 V, og deres modulære design gør vedligeholdelsen hurtigere.

De programmerbare overbelastningsrelæer har brede driftsstrømsområder, hvilket gør det muligt at bruge et lille antal enheder til at opfylde behovene i mange applikationer. Endelig kan tovejs bevægelseskontrol realiseres ved at forbinde to TeSys Giga-kontaktorer med et mekanisk låsesystem.