Hur smarta motorstyrningar kan maximera tåligheten och drifttiden

Smarta motorstyrningar behövs för att maximera tåligheten och drifttiden för nästkommande generation av Industry 4.0-maskiner som används för tillverkning, bearbetning av metaller och basmaterial, utvinning av mineraler och gruvdrift samt för viktig infrastruktur, som t ex dricksvatten och avloppsreningsverk.

Tillämpningarnas motorstyrningar måste kunna styra och skydda motorer med effekter på mellan 75 och 700 hästkrafter. Omfattande skydd, inklusive överbelastningsskydd, skydd mot jordfel och obalans mellan faser, behövs för att stödja robust drift.

De bör även innehålla självdiagnostik för kontroll av slitaget på kontaktorer och detektering av över-/underspänning i spolen med synliga indikeringar för att stödja förebyggande underhåll samt, för att maximera drifttiden, ha modulära konstruktioner för snabbare service. Överensstämmelse med NEC (National Electrical Code), UL och IEC (International Electrotechnical Commission) SCCR (Short Circuit Current Rating) krävs för att säkerställa att elektrisk utrustning kan tåla höga strömmar utan att skadas och att de är säkra.

Motorstyrningarna måste även uppfylla IEC 60947-4-1 som omfattar säkerheten för elektromekaniska kontaktorer och startenheter, inklusive motorskyddsbrytare (MPSD), motorskyddsbrytare med endast momentanfunktion (IMPSD) och manöverdon för kontaktorreläer.

Artikeln inleds med en översikt av SCCR-kraven. Därefter detaljgranskar den en nyutvecklad familj av smarta motorstyrningar från Schneider Electric, inklusive modulära kontaktorer och överbelastningsreläer, med en detaljerad beskrivning av hur skyddsfunktionerna fungerar och hur självdiagnostik implementeras.

Vi tittar på hur dessa överbelastningsreläer uppfyller kraven i IEC 60947-4-1 och visar hur modulära konstruktioner underlättar förebyggande underhåll. Avslutningsvis visas hur två kontaktorer kan användas för att sätta ihop en vändningsenhet, vilket möjliggör dubbelriktad styrning av växelströmsmotorer.

SCCR är en viktig egenskap som bidrar till den totala tillförlitligheten när man specificerar en manöverpanel. Den används vid dimensionering av kraftkomponenter som t ex kontaktorer och ledare. IEC 60947-4-1 beskriver tre moment vid beräkning av SCCR (figur 1):

1. Identifiera SCCR för respektive skydds- och/eller styrkomponent samt för respektivee block och del av distributionssystemet.
2. Bestäm SCCR för respektive del av kretsen. Baserat på värdena för komponenterna i kretsen.
3. Bestäm SCCR för den kompletta manöverpanelen. Baserat på kretsarnas värden.

Figur 1: SCCR-beräkningar börjar med enskilda komponenters klassificeringar (gula rutor), och åtföljs av fastställande av SCCR för delkretsarna (röd streckad ruta) och tar sedan hänsyn till SCCR-behovet för den färdiga manöverpanelen (grå rektangel). (Bildkälla: Schneider Electric)

Kontaktorerna TeSys Giga

Kontaktorerna TeSys Giga finns med märkström från 115 till 900 A för både tre- (3P) och fyrpoliga (4P) konfigurationer. De har SCCR-värden på upp till 100 kA och 480 V, och specifikationerna för olika skyddsanordningar och värden anges i en tabell på sidan av kontaktorn. Dessutom visar de fyrpoliga kontaktorerna motorklassificeringarna AC-3 och HP. Kontaktorerna finns för två belastningskategorier:

• AC-1 – Detta gäller belastningar med växelström där effektfaktorn är högre än 0,95. Dessa är i första hand icke-induktiva eller svagt induktiva belastningar, som t.ex. resistiva belastningar. Att bryta ljusbågen ger minimal ljusbåge och slitage på kontaktorerna.
• AC-3 – Detta gäller kortslutna asynkronmotorer med brytning under motorns normala drift. Vid slutning uppstår en startström på upp till sju gånger motorns nominella fulla lastström. När kontaktorn öppnas bryter den motorns maximala märkström.

Kontaktorerna TeSys Giga kan matas med styrspänning för växel- eller likström och har inbyggda överspänningsskydd. Det finns två typer av kontaktorer, standard och avancerad. Standardkontaktorer är konstruerade för allmänt bruk. Exempel på detta är:

• LC1G1154LSEN, fyrpolig för belastningar enligt AC-1. Klassificerad för 250 A med en bredbandig spole på 200-500 V AC/DC
• LC1G225KUEN, trepolig för belastningar enligt AC-3. Klassificerad för 225 A med en spole på 100-250 V AC/DC

De avancerade kontaktorerna TeSys Giga har ytterligare funktioner som t ex ett större urval av spolspänningar, lägre effektförbrukning för spolen, en PLC-ingång (programmerbar logisk styrenhet) och en kabelkonstruktion som möjliggör underhåll utan att kablar eller samlingsskenor behöver tas bort.

De avancerade modellerna är också kompatibla med tillvalsmodulen Remote Wear Diagnosis (RWD) som beskrivs i nästa avsnitt. Exempel på avancerade kontaktorer är:

• LC1G115BEEA, trepolig för belastningar enligt AC-3. Klassificerad för 115 A med en spole på 24-48 V AC/DC
• LC1G800EHEA, trepolig för belastningar enligt AC-3. Klassificerad för 800 A med en spole på 48-130 V AC/DC

Alla TeSys Giga-kontaktorer har en indikering för diagnostik på frontpanelen för snabb utvärdering av fel (figur 4).

Figur 2: En typisk TeSys Giga-kontaktor med indikering för diagnostik längst upp i mitten av enheten. (Bildkälla: DigiKey)

Kontaktorerna TeSys Giga har flera integrerade funktioner för diagnostik för att förbättra tillförlitligheten och stödja förebyggande underhåll, som t.ex:

Diagnostik av slitage på kontaktorer och RWD

Kontaktorer slits varje gång de bryter strömmen i strömkretsen. Ett kontaktorfel leder till förlust av motorstyrningen. Algoritmen för kontaktorns slitage i styrenheterna för TeSys Giga beräknar kontinuerligt kontaktorernas återstående livslängd. När den återstående livslängden är under 15 % utfärdas en varning som gör det möjligt att planera in förebyggande underhåll.

• En lokal varning visas på indikeringen för diagnostik på kontaktorns framsida.
• En RWD-modul (tillval) kan användas med avancerade kontaktorer.

Diagnostik av styrspänning

Styrspänningen övervakar under- och överspänning. Indikeringen för diagnostiken är tillgänglig på distans med hjälp av tillvalsmodulen RDM, för enheter med artikelnummer som slutar på LSEMC. En underspänning definieras som en matningsspänning som är lägre än 80 % av minimispänningen och en överspänning definieras som högre än 110 % av den maximala spänningen.

Diagnostik för intern funktion

Om indikeringen för diagnostik blinkar kontinuerligt påvisar den ett internt fel i styrkretsen.

Motorskyddsbrytare

Smarta motorstyrningar, som t ex kontaktorerna TeSys Giga, är en viktig del i installationer för Industry 4.0. Användningen av motorskyddsbrytare (MPSD) är även en viktig faktor för att säkerställa maximal produktivitet och tillgänglighet.

I IEC 60947-4-1 hänvisar motorskyddsbrytare till en enhet som är konstruerad med en fördröjning för att skydda en motor från överbelastning. En annan typ av enhet, en motorskyddsbrytare med endast momentanfunktion (IMPSD), är en särskild typ av motorskyddsbrytare som löser ut omedelbart när den upptäcker en överbelastning. Motorskyddsbrytare med endast momentanfunktion förknippas normalt inte med skydd för växelströmsmotorer.

Beroende på tillämpning kan start av motorn ta ett par sekunder eller flera tiotals sekunder. Motorskyddsbrytare måste specificeras för att uppfylla tillämpningens krav på säkerhet och samtidigt undvika felaktig utlösning.

För att tillgodose specifika tillämpningsbehov har IEC 60947-4-1 flera olika klassificeringar för överbelastningsreläer. Klassificeringen för utlösning anger den maximala tid det tar för reläet att bryta när det finns en överbelastning.

Det finns även skillnader i de nordamerikanska klassificeringarna kontra IEC-klassificeringarna för utlösning. Klass 10 är t ex en nordamerikansk klassificering av utlösning som löser ut vid överbelastning inom 4-10 sekunder efter det att 600 % av överbelastningsströmmen har detekterats. Klass 10A är en klassificering för utlösning som löser ut vid överbelastning inom 2-10 sekunder efter det att 720 % av värdet för överbelastningsströmmen har detekterats (tabell 1).

Tabell 1: Exempel på klassificeringar för termiska överbelastningsreläer baserat på märkström (Ir). (Tabellkälla: Schneider Electric)

Klassificeringarna 10A och 10 för utlösning lämpar sig för motorer med normal belastning. Klassificering 20 rekommenderas för kraftfulla motorer för att undvika felaktiga utlösningar. Klassificering 30 används med en motor med mycket lång starttid.

Överbelastningsreläerna TeSys Giga

De termiska överbelastningsreläerna TeSys Giga är mycket flexibla och konstruerade för användning med växelströmsmotorer. Inställningar för skydd mot jordfel och obalans mellan faser samt klassificering för utlösning (5, 10, 20 och 30) kan konfigureras på frontpanelen. På frontpanelen finns även larm- och statuslampor. De har ett brett justerbart termiskt överbelastningsskydd som gör det möjligt för fyra överlappande modeller att hantera tillämpningar från 28 till 630 A (figur 3):

LR9G115, justerbar från 28 till 115 A

LR9G225, justerbar från 57 till 225 A

LR9G500, justerbar från 125 till 500 A

LR9G630, justerbar från 160 till 630 A

Figur 3: Frontpanelen för överbelastningsreläerna TeSys Giga innehåller statuslysdioder ochjusteringsmöjligheter för skyddet. (Bildkälla: DigiKey)

Termiska överbelastningar

Termiska överbelastningsskydd används för asynkronmotorer med en eller tre faser. Strömnivån för termiska överbelastningsskydd kan justeras baserat på modellen för det överbelastningsrelä som används. Dessutom kan klassificeringen för utlösning och tillhörande fördröjning justeras. Termiska överbelastningsskydd kan ställas in för automatisk eller manuell återställning.

Fasförlust

Skydd vid fasförlust används för att skydda asynkronmotorer med tre faser från överhettning. Överbelastningsreläet övervakar strömmen i respektive fas kontinuerligt. När strömvärdet i en av faserna är lägre än 0,1 av märkströmmen (Ir) och strömvärdet i en annan fas är högre än 0,8 Ir, utlöses överbelastningsreläet inom 4 ±1 sekunder. Skyddet vid fasförlust kan inte inaktiveras och måste återställas manuellt.

Obalans mellan faser

Obalans mellan faser orsakar överhettning av en asynkronmotor. Vanliga orsaker är bland annat:

• Lång matningsledning
• Defekt kontaktor på inkommande brytare
• Ett obalanserat elnät

När förhållandet för obalans överstiger 40 % utlöses överbelastningsreläet inom 5 ±1 sekunder. Skyddet för obalans mellan faser måste återställas manuellt.

Jordfel

Skydd för jordfel används för att skydda asynkronmotorer med tre faser. Ett jordfel uppstår när isoleringen på lastkretsen blir ineffektiv på grund av vibrationer, fukt eller andra faktorer. Överbelastningsreläet övervakar jordströmmen (Ig). När jordströmmen överskrider mer än 10 % av märkströmmen, löser reläet ut efter 1 ±0,2 sekunder. Skyddet för jordfel måste återställas manuellt.

Moduluppbyggnad

Den modulära konstruktionen av kontaktorerna TeSys Giga kan vara särskilt användbar om det uppstår överdrivet slitage på kontaktorer eller om en överbelastning eller andra onormala driftsförhållanden skadar styrenheten. Styrmodulerna kan även bytas ut för att anpassas till olika spolspänningar, och omkopplingsmodulen kan bytas ut för att ersätta utslitna poler.

En minnesfunktion för kabel kan implementeras med en tillvalssats för att underlätta snabbt underhåll. När styr- eller omkopplingsmodulen är installerad kan den snabbt bytas ut utan att kablarna behöver avlägsnas.

Vända rotationsriktningenes

Omvända kontaktorer används för att ändra rotationsriktningen för växelströmsmotorer i tillämpningar som t ex transportband, hissar och förpackningslinjer. De fungerar genom att de vänder polariteten på anslutningarna, vilket får motorn att rotera i motsatt riktning.

En omvänd kontaktor kan tillverkas av två mekaniskt förreglade standardkontaktorer. Förreglingen förhindrar att kontaktorerna slås på samtidigt (figur 6).

Figur 4: De två förreglade kontaktorerna TeSys Giga för att bilda en omvänd kontaktor för växelströmsmotorer. (Bildkälla: Schneider Electric)

Följande komponenter kan exempelvis användas för att bygga en omvänd kontaktor som är dimensionerad för 200 hk vid 460 V med en spole för 100-250 V AC/DC (figur 6):

• LC1G265KUEN, motorstyrenhet TeSys Giga, två stycken krävs
• DZ2FJ6, fäste för kontaktor
• LA9G3612, spridare
• LA9G3761, överkoppling
• LA9G970, mekanisk förregling

Sammanfattning

Kontaktorerna TeSys Giga och överbelastningsreläer är mycket mångsidiga enheter som kan maximera tåligheten och drifttiden i en mängd olika tillämpningar. Kontaktorerna har märkvärden från 115 till 900 A i konfigurationer med tre eller fyra poler. De har SCCR på upp till 100 kA 480 V och den modulära konstruktionen underlättar underhållet.

De programmerbara överbelastningsreläerna har stora driftströmsområden, vilket gör att ett litet antal enheter kan tillgodose behoven i många tillämpningar. Slutligen kan dubbelriktad rörelsestyrning genomföras genom att ansluta två TeSys Giga-kontaktorer med ett mekaniskt system för förregling.