Hur man skyddar dyra maskiner med hjälp av billiga trefasövervakningsreläer

De flesta kommersiella och industriella maskiner som finns i värme-, ventilations- och luftkonditioneringssystem (HVAC), vattenrening, materialhantering, verktygsmaskiner, fartygs- och flygtillämpningar drivs av trefasmotorer. Dessa tillförlitliga enheter kan skadas av en rad olika feltillstånd som, om de inte åtgärdas snabbt, kan leda till haveri eller åtminstone en förkortad livslängd, vilket leder till betydande stilleståndstid och reparationskostnader.

Fasövervakningsreläer kan användas för att upptäcka dessa fel, meddela operatörer och stoppa maskinen innan permanent skada uppstår. Dessa reläer kan detektera att alla tre faser finns, att de ligger i rätt sekvens och att fasspänningarna ligger inom angivet intervall. Om ett fel uppstår kan reläet öppna en uppsättning kontakter som kan utlösa ett larmtillstånd eller stänga av maskinen.

Det finns ett stort antal olika fasavkänningsreläer för att hantera ett brett intervall av spänningar, trefaskonfigurationer och feltillstånd. I denna artikel diskuteras kortfattat potentiella motorfel och hur fasavkänningsreläer fungerar. Därefter beskrivs valet och tillämpningen av trefasövervakningsreläer med hjälp av verkliga exempel från Carlo Gavazzi.

Feltillstånd för trefasmotorer

Bland de vanligaste felen inom en rad olika branscher finns sådana som rör trefasströmkällan och dess inverkan på motorer. Förlust av en av de tre faserna eller obalans i fasspänningarna kan leda till högre strömmar än normalt i de återstående faserna till motorn, vilket leder till förlust av mekanisk effekt och ohälsosamma mekaniska vibrationer. På samma sätt tvingar under- och överspänning motorn att öka strömmen för att driva samma last, vilket kan förkorta motorns livslängd.

En annan variant är att fasföljden är felaktig, vilket kan få motorn att vända rotationsriktning, vilket kan få katastrofala följder på motorns lastsida.

Fasövervakningsreläers funktioner

Fasövervakningsreläer har en rad olika funktioner som är relaterade till tillståndet i trefasströmkällan. De försörjs av de trefasledningar som de övervakar. Alla övervakar fasföljden och förlusten av eventuell fasspänning. Reläerna aktiveras när alla faser är närvarande och strömsekvensen är korrekt. Vid förlust av någon av faserna eller felaktig fasföljd inaktiveras reläet. Vissa fasövervakningsreläer övervakar också spänningsnivåerna på alla tre faserna. Spänningsbestämningen använder en effektivvärdesmätning (TRMS, true root mean square) och inaktiverar reläet när amplituden sjunker under ett förinställt tröskelvärde. Vissa komponentvarianter erbjuder samma amplituddetektering men har användarinställbara gränsvärden. En rad olika relämodeller övervakar fassymmetri och tolerans. Alla reläer har en fördröjning före aktivering på grund av spänningsnivå eller asymmetriproblem för att förhindra oönskad aktivering. I vissa modeller är fördröjningen programmerbar.

Alternativ för fasövervakningsreläer

DPA01CM44 från Carlo Gavazzi Inc. är ett exempel på ett faskänsligt relä för tretrådiga konfigurationer (figur 1). Reläer i denna serie drivs från en trefaskälla, och det finns modeller som arbetar med spänningar på 230, 400, 600 och 690 VAC. Dessa reläer är avsedda att monteras på en DIN-skena, men det finns även versioner för instickning. Konfigurationen för reläutgångarna är antingen en SPDT-kontakt (single-pole double-throw) eller två SPDT-kontakter.

Figur 1: DPA01CM44 är ett fasövervakningsrelä som monteras på DIN-skena för trefasledningar på 208 till 480 VAC med en SPDT-reläkontaktutgång. (Bildkälla: Carlo Gavazzi Inc.)

Under normala spänningsförhållanden är reläet aktiverat, vilket innebär att den normalt öppna (NO) kontakten i reläutgången är stängd och att den normalt stängda (NC) utgångskontakten är öppen. Reläet ställs om inom 100 millisekunder (ms). Statusljusdioder på frontpanelen visar att strömmen är på och att reläet är aktiverat.

Fasövervakningsreläerna DPA01 kan installeras för att övervaka en valfri trefasledning (exempel 1 i figur 2), eller så kan de kopplas till en trefasmotor (exempel 2).

Figur 2: Tillämpningsexempel för DPA01-seriens trefasövervakningsrelä. Exempel 1 (till vänster) visar den ansluten för övervakning av en trefasledning. Exempel 2 (till höger) visar hur den används för övervakning av en trefasmotor. (Bildkälla: Carlo Gavazzi Inc.)

När ett feltillstånd uppstår i endera tillämpningen öppnar en kontaktor som är ansluten till reläet på lämpligt sätt den fortsatta trefaskretsen, medan övervakningsreläet förblir anslutet till strömkällan. När reläet är anslutet för att övervaka en trefasledning utan motor är det inga problem att upptäcka en död fas eftersom nivån på den saknade ingången sjunker avsevärt. När reläet är anslutet till en motor tenderar motorn att återskapa den saknade fasen till följd av den interna induktiva kopplingen. Reläet är inställt för att upptäcka en saknad fas så länge amplituden är mindre än 85 % av den nominella trefasspänningen. Därför är det viktigt att verifiera att motorregenereringen är mindre än 85 % av den nominella fasspänningen.

I tillämpningar som kräver en anpassad tröskel för överspänning eller underspänning kan Carlo Gavazzis multifunktionsrelä DPB01CM48 för fasövervakning användas. Detta relä upptäcker över- och underspänningstillstånd samt förlorad fas och felaktig fasföljd. Tröskelnivåerna för överspänning och underspänning kan justeras av användaren via en switch på frontpanelen (figur 3).

Figur 3: Multifunktionsreläet DPB01CM48 för fasövervakning övervakar fasförlust, fasföljd och valbara tröskelvärden för överspänning och underspänning med hjälp av kontroller på frontpanelen. Driftsfördröjningen för utlösning av överspännings- och underspänningstillstånd kan justeras av användaren för att minimera mängden transienta tillstånd. (Bildkälla: Carlo Gavazzi Inc.)

Reläet är också monterat på DIN-skena och stöder både delta- och Y-trefastopologier. Det har användarprogrammerbara spänningsområden som kan väljas som 380, 400, 415 och 480 VAC spänningar från fas till fas och 220, 230, 240 och 277 VAC spänningar från fas till neutral. Kretsens topologi och spänningsområden ställs in med hjälp av en intern dip-switch. En separat modell i DPB01-familjen hanterar lägre spänningsområden.

Det finns tre kontrollknappar på reläets frontpanel. Den övre ställer in den nedre spänningsgränsen från -2 till -22 % av den nominella spänningen, den mellersta ställer in den övre spänningsgränsen från 2 till 22 % av den nominella spänningen och den nedersta kontrollen används för att ställa in driftfördröjningen till mellan 10 ms och 30 sek. Fördröjningen används för att förhindra att kortvariga spänningstransienter oavsiktligt utlöser reläet.

Det finns tre lysdioder på reläets frontpanel som visar dess status. En grön lysdiod visar att strömmen är på. En gul lysdiod visar att reläet är aktiverat. Om ett larm inträffar släcks den gula lysdioden och reläet inaktiveras efter en timeoutperiod, och den röda lysdioden börjar blinka. Om felet var ett överspännings- eller underspänningstillstånd blinkar den röda lysdioden med en frekvens på 2 Hz och reläet inaktiveras efter timeoutperioden. Om en förlorad fas eller en felaktig fassekvens inträffar, kopplas reläet bort inom 200 ms och den röda lysdioden blinkar med 5 Hz under hela felet.

Fasövervakningsreläet DPC01DM69 innehåller Carlo Gavazzis mest omfattande funktioner (figur 4). Detta DIN-skenmonterade relä övervakar fasföljd och fasförlust, samt under- och överspänning, fassymmetri och tolerans.

Figur 4: DPC01DM69 är ett fasövervakningsrelä som monteras på DIN-skena med lysdioder på vänster sida som visar relätillstånd (gult), larmstatus (rött) och strömstatus (grönt). Användarkontroller ställer in tolerans/asymmetri eller tröskelvärden för överspänning/underspänning och reläfördröjningar. (Bildkälla: Carlo Gavazzi Inc.)

DPC01DM69 fungerar på samma sätt som DPB01CM48 när det gäller val av driftspänningsintervall och trefastopologi. Med en dip-switch kan ytterligare inställningar göras, såsom fördröjning av påslagning (1 s eller 6 s), utgångskonfiguration (dubbla uppsättningar SPDT-kontakter eller en enda uppsättning DPDT-kontakter (double-pole, double-throw)) och övervakningsfunktioner för överspänning/underspänning eller asymmetri/tolerans.

DPC01CM69 kan drivas i tre olika lägen beroende på larmtypen. Fasförlust eller felaktig fasföljd resulterar i att utgångsreläerna 1 och 2 inaktiveras. En överspänning eller en asymmetrihändelse gör att reläet för utgång 1 inaktiveras i slutet av den förinställda fördröjningen 1, och en underspänning eller en händelse utanför toleransen gör att reläet för utgång 2 inaktiveras i slutet av den förinställda fördröjningen 2. Detta arrangemang med dubbla utgångar ger större flexibilitet vid olika larmhändelser.

Asymmetri är en indikator på strömkällans kvalitet och definieras som det absolutvärdet av den maximala avvikelsen av fasspänningarna, delat med den nominella spänningen i trefassystemet. Tolerans är en annan indikator på strömkällans kvalitet och definieras som absolutvärdet av den maximala avvikelsen av fasspänningarna från den nominella spänningen, delat med den nominella spänningen i trefassystemet (figur 5).

Figur 5: Ekvationer för asymmetri och tolerans för en trefaskälla. (Bildkälla: Carlo Gavazzi Inc.)

I allmänhet bör obalansen i trefasledningarna vara mindre än 2 % för att undvika överhettning i en trefasmotor. Observera att asymmetri- och toleransskalorna på DPC01CM69 täcker ett intervall på 2 och 22 %.

Slutsats

Inom många branscher är övervakning av trefasväxelström kritiskt för att undvika kostsamma driftstopp till följd av skadade motorer. För att säkerställa att detta sker enkelt och effektivt erbjuder Carlo Gavazzi ett brett sortiment av trefasövervakningsreläer som är utformade med hjälp av den mest sofistikerade mättekniken, samtidigt som de är enkla att installera. Reläerna sträcker sig från enkla enheter som övervakar fasförlust och fasföljd till mer komplex övervakning som dessutom känner av över- och underspänningstillstånd samt fasasymmetri och tolerans. Dessa fasövervakningsreläer säkerställer att problem med trefasströmkällor inte orsakar skador på dyra maskiner.