Sådan beskytter du dyre maskiner ved hjælp af billige trefasede monitorrelæer

De fleste kommercielle og industrielle maskiner indenfor varme-, ventilations- og klimaanlæg (HVAC), vandbehandling, materialehåndtering, værktøjsmaskiner samt marine- og luftfartsapplikationer drives af trefasede motorer. Disse pålidelige enheder kan blive beskadiget af en række fejltilstande, som, hvis de ikke behandles hurtigt, kan føre til svigt eller i det mindste en kortere levetid, hvilket resulterer i betydelige nedetids- og reparationsomkostninger.

Faseovervågningsrelæer kan bruges til at opdage disse fejl, underrette operatørerne og stoppe maskinen, før der opstår permanent skade. Disse relæer kan registrere, at alle tre faser er til stede, har den korrekte rækkefølge og har fasespændinger inden for et korrekt område. Hvis der opstår en fejl, kan relæet åbne et sæt kontakter, der kan udløse en alarmtilstand eller slukke for maskinen.

Der findes et stort udvalg af fasedetekterende relæer til at håndtere en lang række spændinger, trefasede konfigurationer og fejlforhold. I denne artikel gennemgås kort de mulige fejlfunktioner i motorer, og hvordan fasedetekterende relæer fungerer. Derefter beskrives udvælgelse og anvendelse af trefasede overvågningsrelæer ved hjælp af eksempler fra Carlo Gavazzi fra den virkelige verden.

Fejltilstande ved trefaset motor

Blandt de almindelige fejl i en række industrier er fejl i forbindelse med den trefasede strømkilde og dens indvirkning på motorer. Tab af en af de tre faser eller ubalance i fasespændingerne kan resultere i højere strømme end normalt i de resterende faser til motoren, hvilket fører til tab af mekanisk effekt og overdreven mekanisk vibration. På samme måde tvinger under- og overspænding motoren til at øge strømmen for at drive den samme belastning, hvilket kan forkorte motorens levetid.

En anden mulighed er at have en forkert fasesekvens, som kan få motoren til at vende om, hvilket kan få katastrofale følger for motorens belastningsside.

Faseovervågningsrelæfunktioner

Faseovervågningsrelæer har en række funktioner i forbindelse med tilstanden af den trefasede strømkilde. De får strøm fra de trefasede linjer, som de overvåger. De overvåger alle faserækkefølgen og tab af en fasespænding. Relæerne aktiveres, når alle faser er til stede, og strømsekvensen er korrekt. I tilfælde af tab af en af faserne eller en forkert fasesekvens er relæet afbrudt. Nogle faseovervågningsrelæer overvåger også spændingsniveauerne for alle tre faser. Spændingsbestemmelsen anvender en TRMS-måling (True Root Mean Square) og deaktiverer relæet, når amplituden falder under en forudindstillet tærskelværdi. Nogle enheder tilbyder den samme amplitudedetektion, men har brugerjusterbare grænseindstillinger. En række relæmodeller overvåger faseasymmetri og tolerance. Alle relæer har en forsinkelse før aktivering på grund af spændingsniveau eller asymmetriproblemer for at forhindre ufrivillig aktivering. I nogle modeller er forsinkelsen programmerbar.

Faseovervågningsrelæmuligheder

DPA01CM44 fra Carlo Gavazzi Inc. er et eksempel på et fasefølsomt relæ til tre-leders konfigurationer (Figur 1). Serien drives fra en trefaset kilde, og der findes modeller, som fungerer ved spændinger på 230, 400, 600 og 690 volt AC (VAC). Disse relæer er beregnet til montering på en DIN-skinne, men der findes også stikbare versioner. Relæudgangskonfigurationer er enten en enkeltpolet dobbeltudløser (SPDT) eller to SPDT-kontakter.

Figur 1: DPA01CM44 er et faseovervågningsrelæ monteret på en DIN-skinne til 208 til 480 VAC trefasede linjer med en SPDT-relækontaktudgang. (Billedkilde: Carlo Gavazzi Inc.)

Under normale spændingsforhold er relæet aktiveret, hvilket betyder, at relæudgangens normalt åbne (NO) kontakt(er) er lukket, og at den normalt lukkede (NC) udgangskontakt(er) er åben/åbne. Relæfunktionen sker inden for 100 millisekunder (ms). Status-LED'er på frontpanelet viser, at strømmen er tændt og at relæet er aktiveret.

DPA01-faseovervågningsrelæerne kan installeres til overvågning af enhver trefaset linje (eksempel 1 i figur 2), eller de kan tilknyttes en trefaset motor (eksempel 2).

Figur 2: Anvendelseseksempler for DPA01-seriens trefasede overvågningsrelæ. Eksempel 1 (til venstre) viser den tilsluttet til overvågning af en trefaset linje. Eksempel 2 (til højre) illustrerer dens anvendelse til overvågning af en trefaset motor. (Billedkilde: Carlo Gavazzi Inc.)

Når der opstår en fejltilstand i begge applikationer, åbner en kontaktor, der er forbundet til relæet på en passende måde, det fortsatte trefasekredsløb, mens overvågningsrelæet forbliver forbundet til strømkilden. Når den er tilsluttet til overvågning af en trefaset linje uden en motor, er det ikke noget problem at registrere en død fase, fordi niveauet af den manglende indgang falder betydeligt. Når en monitor er tilsluttet en motor, vil motorens drift have tendens til at regenerere den manglende fase på grund af intern induktiv kobling. Relæet er indstillet til at registrere en manglende fase, så længe amplituden er mindre end 85 % af den nominelle trefasespænding. Derfor er det vigtigt at kontrollere, at motorens regenerering er mindre end 85 % af den nominelle netspænding.

I applikationer, der kræver en brugerdefineret tærskel for over- eller underspænding, kan Carlo Gavazzis DPB01CM48 multifunktionsfasemonitoreringsrelæ anvendes. Dette relæ registrerer over- og underspændingsforhold samt tabt fase og ukorrekt fasesekvens. Tærskelværdierne for overspænding og underspænding kan justeres af brugeren via en kontakt på frontpanelet (Figur 3).

Figur 3: DPB01CM48 multifunktionsfasemoniteringsrelæet overvåger fasetab, fasesekvens og valgbare over- og underspændingsgrænser ved hjælp af betjeningselementer på frontpanelet. Den operationelle forsinkelse for overspændings- og underspændingsaktivering kan justeres af brugeren for at minimere transient aktivering. (Billedkilde: Carlo Gavazzi Inc.)

Dette relæ er også monteret på en DIN-skinne og understøtter både delta- og stjernetopologier med tre faser. Den har brugerprogrammerbare spændingsområder, der kan vælges som 380, 400, 415 og 480 VAC linje-til-linje spændinger og 220, 230, 240 og 277 VAC linje-til-neutral spændinger. Kredsløbstopologi og spændingsområder indstilles ved hjælp af en intern dip switch. En separat model i DPB01-familien kan håndtere lavere spændingsområder.

Der er tre kontrolknapper på relæets frontpanel. Den øverste indstiller den nedre spændingstærskel fra -2 til -22 % af den nominelle spænding, den midterste indstiller den øvre spændingstærskel fra 2 til 22 % af den nominelle spænding, og den nederste kontrol bruges til at indstille driftsforsinkelsen mellem 10 ms og 30 sekunder (s). Forsinkelsen bruges til at forhindre, at kortvarige spændingstransienter ved et uheld udløser relæet.

Der er tre lysdioder på relæets frontpanel til at angive dets status. En grøn lysdiode viser, at strømmen er tændt. En gul lysdiode viser, at relæet er aktiveret. Hvis der er en alarmhændelse, slukkes den gule lysdiode, og relæet afbrydes efter en timeout, og den røde lysdiode blinker. Hvis fejlen var en overspændings- eller underspændingstilstand, blinker den røde LED med en frekvens på 2 Hertz (Hz), og relæet bliver afbrudt efter timeout. Hvis der opstår en tabt fase eller en forkert fasesekvens, bliver relæet afbrudt inden for 200 ms, og den røde LED blinker med en hastighed på 5 Hz, så længe fejltilstanden varer.

DPC01DM69-faseovervågningsrelæet har Carlo Gavazzis mest komplette funktionssæt (Figur 4). Dette relæ til montering på DIN-skinne overvåger faserækkefølge og fasetab samt under- og overspænding, fasesymmetri og tolerance.

Figur 4: DPC01DM69 er et faseovervågningsrelæ til montering på DIN-skinne med lysdioder på venstre side, der angiver relætilstand (gul), alarmstatus (rød) og strømstatus (grøn). Kontrolelementer indstiller tolerance/asymmetri- eller overspændings-/underspændingstærskelværdier og relæforsinkelser. (Billedkilde: Carlo Gavazzi Inc.)

DPC01DM69 fungerer på samme måde som DPB01CM48 med hensyn til valg af driftsspændingsområde og trefaset topologi. Den har yderligere dip-switch-valg for tændingsforsinkelse (1 s eller 6 s), udgangskonfiguration (dobbelt sæt SPDT-kontakter eller et enkelt sæt DPDT-kontakter (double-pole, double-throw)) og overvågningsfunktioner for overspænding/underspænding eller asymmetri/tolerance.

DPC01CM69 fungerer i tre forskellige tilstande afhængigt af alarmtypen. Fasedab eller forkert fasesekvens resulterer i, at udgangsrelæerne 1 og 2 afbrydes. En overspændings- eller asymmetrihændelse får udgang 1-relæet til at falde fra i slutningen af den forudindstillede forsinkelse 1, og en underspænding eller en hændelse uden for tolerancen får udgang 2-relæet til at falde fra i slutningen af den forudindstillede forsinkelse 2. Denne dobbelte udgang giver større fleksibilitet i forbindelse med forskellige alarmhændelser.

Asymmetri er en indikator for strømkildens kvalitet og er defineret som den absolutte værdi af den maksimale afvigelse af linjespændingerne divideret med den nominelle spænding i 3-fase-systemet. Tolerance er en anden indikator for strømkildens kvalitet og er defineret som den absolutte værdi af den maksimale afvigelse af linjespændingerne fra den nominelle spænding divideret med den nominelle spænding for 3-fase-systemet (figur 5).

Figur 5: Ligninger for asymmetri og tolerance for en trefaset kilde. (Billedkilde: Carlo Gavazzi Inc.)

Generelt skal ubalancen i de trefasede linjer være mindre end 2 % for at undgå overophedning i en trefaset motor. Bemærk, at asymmetri- og toleranceskalaerne på DPC01CM69-dækslet varierer fra 2 til 22 %.

Konklusion

På tværs af en lang række industrier er overvågning af trefaset vekselstrøm afgørende for at undgå dyre nedetider på grund af beskadigede motorer. For at sikre, at dette sker nemt og effektivt, tilbyder Carlo Gavazzi et bredt udvalg af trefasede overvågningsrelæer, der er designet ved hjælp af de mest avancerede måleteknikker, samtidig med at de er lette at opsætte. Relæerne spænder fra enkle enheder, der overvåger fasetab og fasesekvens til mere komplekse monitorer, der desuden registrerer over- og underspændingsforhold samt faseasymmetri og tolerance. Disse faseovervågningsrelæer giver sikkerhed for, at problemer med trefasede strømkilder ikke vil forårsage skade på dyre maskiner.