Använd mjukstartare för att lösa problem med motorstart och cybersäkerhet

Asynkronmotorer med tre faser som drivs av växelströmsnätet och har en effekt på tiotals till hundratals hästkrafter är drivkraften i många kommersiella och industriella tillämpningar. Motorerna drivs vanligtvis med strömmar från ca 10 till över 1 000 A vid nätspänningar från strax över 200 V_AC ända upp till 700 V_AC. Problemet för utvecklare är att de vid start har höga startströmmar som kan skada motorn och påverka lasten.

En styrenhet för mjukstarter mellan växelströmsnätet och motorn kontrollerar denna startström genom att justera acceleration och vridmoment när motorn startar, för att optimera prestandan och minimera oönskade konsekvenser. Mer avancerade mjukstartare har sofistikerade funktioner för att maximera prestanda, tillhandahålla elektriskt och termiskt skydd, inkludera en robust uppsättning anslutningsmöjligheter och skydda mot cyberattacker.

Artikeln beskriver funktionerna hos en mjukstartare. Därefter introduceras och visas användning av styrenheterna Altivar Soft Starter ATS480 från Schneider Electric.

Mjukstartarens funktioner

En mjukstartare används med en motor för att under en övergångsperiod minska startströmmen och kontrollera vridmomentet vid uppstart. Den ökar gradvis spänningen till motorn vilket ger en jämn acceleration med minimal ryckighet (accelerationens förändringstakt).

Mjukstartarna har vanligtvis en funktion som gör att användaren kan justera vridmomentet vid start och accelerationstiden för att passa olika tillämpningar. De kan reducera startströmmen avsevärt för att åstadkomma "frikoppling" och hålla nere strömmen under accelerationen.

Nyare mjukstartare har ytterligare funktioner som ökar effektiviteten, upprätthåller en hög effektfaktor (PF) med hjälp av dynamisk effektfaktorkorrigering, förbättrar elsäkerheten, upptäcker avvikelser i ledningsnät och motor, tillhandahåller nätverksanslutningar och hanterar frågor avseende cybersäkerhet.

Ett exempel på kapaciteten och egenskaperna hos de toppmoderna mjukstartarna är serien Altivar Soft Starter ATS480 från Schneider Electric (figur 1).

Figur 1: Mjukstartarserien Altivar Soft Starter ATS480 har många avancerade funktioner utöver sin kärnfunktion. (Bildkälla: Schneider Electric)

Enheterna har sex tyristorer och en algoritm för momentstyrning som styr acceleration, inbromsning och stopp av asynkrona induktionsmotorer med tre faser på upp till 900 kW. Det breda utbudet av modeller i denna serie stödjer driftspänningar från 208 till 690 V och strömstyrkor från 17 till 1 200 A. Alla enheter uppfyller globala standarder, certifieringar och bestämmelser som definierar prestanda, säkerhet, effektivitet, elektromagnetisk kompatibilitet (EMC), föroreningsgrad samt stötar och vibration.

ATS480-enheterna innehåller många olika typer av fas-, start- och belastningsskydd, inklusive:

• Fasfel (fas)
• Integrerat termiskt skydd (motor)
• Termiskt skydd (startenhet)
• Överbelastning för ström (motor)
• Underbelastning (motor)
• För lång starttid, låst rotor (motor)
• Fasförlust motor (motor)
• Fasförlust i strömförsörjning (fas, motor)
• Termiskt skydd (motor) via direkt anslutning till en termistor med positiv temperaturkoefficient (PTC) eller en sond med resisitiv temperaturdetektering av platina 100 (PT100) med två eller tre ledare

Det finns många möjligheter till kretsanslutningar för att tillgodose de olika behoven i måltillämpningarna. Till exempel, en grundkonfiguration inriktad på lokal styrning där det är önskvärt att kunna ingripa manuellt för att starta om efter en återställning av fel, även vid fjärrstyrning (figur 2). Här trycker operatören på tryckknappen S3 för att starta om.

Figur 2: Här visas ett av många inkopplingsalternativ för mjukstartaren. Användaren måste manuellt initiera en omstart efter en återställning av fel genom att trycka på S3. (Bildkälla: Schneider Electric)

Komponenternas benämningar definieras i tabell 1.

Tabell 1: Här visas komponenternas benämningar för figur 2. (Bildkälla: Schneider Electric)

ATS480-enheterna har även separata elektromekaniska reläkontakter som är normalt brutna (NO) respektive normalt slutna (NC). De är klassificerade för 2 A/250 V_AC och för 30 V för digitala utgångar med öppen kollektor. Kontakterna och utgångarna förenklar implementeringen av ytterligare funktioner, som t.ex. indikeringar eller extrautrustning.

Anslutningar och cybersäkerhet

Förutom avancerad funktionalitet för mjukstartare stödjer samtliga ATS480-enheter ett brett utbud av anslutningsmöjligheter. Varje ATS480-enhet har två RJ45-portar för anslutning av konfigurations- och firmwareuppdateringar och en extern handterminal för text och grafik. Varje modul är dessutom utrustad med en plats för en extra kommunikationsmodul som stödjer formaten Modbus TCP, Ethernet/IP, CANopen, PROFINET och PROFIBUS DP.

Dessa uppkopplingsmöjligheter medför oundvikligen säkerhetsproblem. För att hantera dessa har serien "bästa metoder" för cybersäkerhet inbäddade i enheterna för att skydda mot avsiktlig skadegörelse (hackning) och välmenande men slarviga åtgärder av personal eller entreprenörer. Skydden innefattar kontohantering, inklusive autentisering och auktorisering av användare, samt flera lager av lösenordsskydd. Det finns även avsiktliga begränsningar för olika portar, funktioner och källor.

Säkerhet på högre nivå inkluderar djupgående, proaktiva försvar för att hantera händelser relaterade till cybersäkerhet, inklusive detaljerade händelseloggar med tids- och användarstämplar. Autenticiteten hos den installerade inbyggda programvaran och uppgraderingar förstärks av digitalt signerad programvara och kryptografiska nycklar. Detta säkerställer att giltig firmware används vid varje uppstartscykel.

Gränssnittet mellan människa och maskin har även anpassats

Förutom omfattande anslutningsmöjligheter behöver många installationer med mjukstartare även möjliggöra omedelbar och direkt åtkomst för operatören. Åtkomsten börjar med en grundläggande START- och STOPP-manöver via separata, väl synliga och tydligt märkta omkopplare på eller i närheten av motorn eller installationen. Dessa är ofta obligatoriska enligt säkerhetsbestämmelser.

För att uppfylla dessa krav kan ATS480-enheterna kopplas med två oberoende omkopplare för start- och stopp eller en enda omkopplare för start/stopp (figur 3).

Figur 3: Mjukstartaren kan kopplas så att den använder sig av två oberoende tryckknappar för start och stopp eller en omkopplare med dubbel funktion. (Bildkälla: Schneider Electric)

För enkla installationer, körning och kontroller kan konstruktörer använda VW3A1113, en handterminal med åtta textrader (figur 4). Med hjälp av den tillgängliga RJ45-kontakten kan handterminalen anslutas och monteras på mjukstartarens framsida eller monteras på en dörr till kapslingen med hjälp av ett tillbehör för montering.

Figur 4: Handterminalen VW3A1113 för klartext ansluts till mjukstartaren med den medföljande RJ45-kontakten och stödjer grundläggande funktioner för installation, körning och kontroller. (Bildkälla: Schneider Electric)

Den flerspråkiga enheten (engelska, franska, spanska, italienska, tyska och kinesiska, andra språk tillgängliga via nedladdning) kräver ett lösenord för inloggning för att skydda systemets säkerhet. När den är ansluten kan den användas för att:

• Kontrollera, justera och konfigurera mjukstartaren
• Visa aktuella värden för motor, in-/utgångar och maskindata
• Lagra och hämta konfigurationer
• Duplicera konfigurationen för en spänningssatt mjukstartare till en annan som även den är spänningssatt

För mer avancerad diagnostik, styrning, övervakning och filhantering kan Device Type Manager (DTM) och programmet SoMove från Schneider Electric användas tillsammans med en PC-baserad grafisk terminal.

Kapsling och format definieras av effektklassificeringen

Även om enheterna i serien Altivar Soft Starter ATS480 har samma funktioner, egenskaper, användargränssnitt och anslutningsmöjligheter, skiljer de sig åt när det gäller drivningens effektnivåer. Den bestämmer lämplig kapsling och format, vilket lätt går att se genom att titta på seriens lägsta och högsta effekt.

ATS480D17Y (figur 5, vänster) är avsedd för matning och styrning av trefas växelströmsmotorer med en ström på 17 A från ett växelströmsnät på 208 till 690 V_AC och arbetar med en styrmatning på 110 till 230 V_AC. Den har en höjd på 275 mm, en bredd på 160 mm och ett djup på 8 mm och väger strax under 5 kg.

Figur 5: De minsta (vänster) och största (höger) enheterna i serien Altivar Soft Starter ATS480 har likartade funktioner men ett brett spann i sina specifikationer för ström och vikt. (Bildkälla: Schneider Electric)

ATS480M12Y (figur 5, höger) är däremot dimensionerad för en mycket kraftigare ström på 1 200 A för ett växelströmsnät på mellan 208 till 690 V_AC och drivs med en styrmatning på 110 till 230 V_AC. Den har nästan identiska egenskaper och funktioner som enheten på 17 A men är betydligt större; 890 mm hög, 770 mm bred, 329 mm djup och med en vikt på 115 kg.

Sammanfattning

Mjukstartare är en viktig länk mellan växelströmsnät med flera faser och medelstora till stora växelströmsmotorer med tre faser, där de hanterar startströmmen. Serien Altivar Soft Starter ATS480 från Schneider Electric stödjer motorer från 17 till 1 200 A med omfattande nätverksanslutning och förbättrad cybersäkerhet. De har också flera olika funktioner för att förbättra prestanda, säkerhet och tillförlitlighet.