Miten älykäs moottorinohjaus voi maksimoida vikakestävyyden ja käyttöasteen

Seuraavan sukupolven Teollisuus 4.0 -tuotannossa, metallien ja perusmateriaalien jalostuksessa, mineraalien louhinnassa ja kaivostoiminnassa sekä kriittisessä infrastruktuurissa, kuten juomavesi- ja jätevesilaitoksissa, tarvitaan älykästä moottorinohjausta, joka pystyy maksimoimaan koneiden kestävyyden ja käytettävyysasteen.

Näissä sovelluksissa käytettävän moottorinohjauksen täytyy pystyä ohjaamaan ja suojaamaan moottoreita, joiden teho on 75–700 hevosvoimaa (hv). Vikoja kestävä toiminta vaatii kattavan suojauksen, mukaan lukien ylikuormitussuojauksen, maavikasuojauksen ja vaihe-epätasapainosuojauksen.

Niiden tulisi tarjota myös itsediagnostiikka kosketinten kulumisen ja kelan yli-/alijännitteen tunnistamiseksi sekä tarjota ennakoivaa kunnossapitoa tukevat indikaattorit. Lisäksi niiden rakenteen tulisi olla modulaarinen huollon nopeuttamiseksi ja käyttöasteen maksimoimiseksi. National Electrical Coden (NEC), UL:n ja kansainvälisen sähköteknisen komission (IEC) oikosulkuvirran luokitusarvojen (SCCR) noudattaminen on tarpeen sen varmistamiseksi, että sähkölaitteet voisivat kestää korkeita virtoja vahingoittumatta ja turvallisesti.

Tällaisen moottorinohjauksen täytyy myös noudattaa IEC 60947-4-1 -standardin vaatimuksia, jotka kattavat sähkömekaanisten kontaktoreiden ja käynnistimien turvallisuuden, kattaen moottorin suojakytkinlaitteet (MPSD), hetkelliset moottorin suojakytkinlaitteet (IMPSD) ja kontaktorireleiden aktuaattorit.

Tämä artikkeli käsittelee aluksi SCCR-vaatimuksia. Se käsittelee sen jälkeen tarkemmin Schneider Electricin hiljattain kehitettyä älykkäiden moottorinohjainten perhettä, johon kuuluu modulaarisia kontaktoreita ja ylikuormitusreleitä, ja se kertoo yksityiskohtaisesti suojaustoimintojen toiminnasta ja itsediagnostiikan toteutuksesta.

Artikkelissa tarkastellaan, miten nämä ylikuormitusreleet täyttävät IEC 60947-4-1 -standardin vaatimukset, ja havainnollistetaan, miten modulaarinen rakenne nopeuttaa ennaltaehkäisevää huoltoa. Lopuksi artikkelissa tarkastellaan miten kahdesta kontaktorista voidaan koota suuntaa vaihtava järjestelmä, joka mahdollistaa AC-moottoreiden kaksisuuntaisen ohjauksen.

SCCR-arvo on ohjauspaneelin määrittelyssä tärkeä ominaisuus, joka parantaa yleistä luotettavuutta. Sitä käytetään mitoitettaessa tehokomponentteja, kuten kontaktoreita ja johtimia. IEC 60947-4-1 -standardi määrittää kolme vaihetta SCCR-arvon laskentaan (kuva 1):

1. Selvitä jokaisen jakelujärjestelmään kuuluvan suojaus- ja/tai ohjauskomponentin sekä jokaisen lohkon ja elementin SCCR-arvo.
2. Määritä kunkin piirihaaran SCCR-arvo. Piiriin kuuluvien komponenttien arvojen perusteella.
3. Määritä koko ohjauspaneelin SCCR-arvo. Piirien arvojen perusteella.

Kuva 1: SCCR-laskelmien perustana käytetään yksittäisten komponenttien mitoitusarvoja (keltaiset ruudut), sen jälkeen määritetään piirihaarojen SCCR-arvot (punainen katkoviivallinen ruutu) ja sitten arvioidaan koko ohjauspaneelin SCCR-vaatimukset (harmaa neliö). (Kuvan lähde: Schneider Electric)

TeSys Giga -kontaktorit

TeSys Giga -kontaktoreita on saatavana virtaluokituksilla 115–900 ampeeria (A) ja niiden konfiguraatio on 3-napainen (3P) tai 4-napainen (4P). Niiden SCCR-arvoluokitukset ovat jopa 100 kiloampeeria (kA) ja 480 volttia (V). Eri suojalaitteiden spesifikaatiot ja nimellisarvot on lueteltu kontaktorin kyljessä olevassa taulukossa. Lisäksi 4P-kontaktorit näyttävät moottorin AC-3- ja hv-nimellisarvot. Näitä kontaktoreita on saatavana kahta kuormaluokkaa varten:

• AC-1 – Tämä käsittää AC-kuormat, joissa tehokerroin on yli 0,95. Ne ovat pääasiassa ei-induktiivisia tai hieman induktiivisia kuormia, kuten resistiivisiä kuormia. Valokaaren katkaisu aiheuttaa minimaalisia valokaaria ja koskettimien kulumista.
• AC-3 – Tämä käsittää häkkikäämityt moottorit, joissa katkaisu tapahtuu moottorin normaalin käynnin aikana. Sulkeutumisen yhteydessä syntyy käynnistysvirta, joka on suuruudeltaan jopa seitsemänkertainen moottorin nimelliseen täyskuormitusvirtaan nähden. Avautuessaan kontaktori katkaisee moottorin nimellisen täyskuormitusvirran.

TeSys Giga -kontaktoreihin syötettävä ohjausjännite voi olla vaihtovirtaa (AC) tai tasavirtaa (DC), ja niissä on sisäänrakennetut ylijännitesuojat. Kontaktoreita on tarjolla kaksi versiota, perusversio ja parannettu versio. Peruskontaktorit on suunniteltu yleiseen käyttöön. Esimerkkejä:

• LC1G1154LSEN, 4-napainen AC-1-kuormille. Virtaluokitus 250 A 200–500 V:n AC/DC-laajakaistakelalla
• LC1G225KUEN, 3-napainen AC-3-kuormille. Virtaluokitus 225 A 100–250 V:n AC/DC-kelalla

Parannetut TeSys Giga -kontaktorit tarjoavat sellaisia lisäominaisuuksia kuten suuremman valikoiman kelajännitteitä, alhaisemman kelan virrankulutuksen, tulon ohjelmoitavaa logiikkaohjainta (PLC) varten ja kaapeliratkaisun, joka mahdollistaa huollon ilman kaapeleiden tai vaihekiskoliitäntöjen irrottamista.

Parannetut mallit ovat myös yhteensopivia seuraavassa kohdassa käsiteltävän valinnaisen RWD (Remote Wear Diagnosis) -moduulin kanssa. Esimerkkejä parannetuista kontaktoreista:

• LC1G115BEEA, 3-napainen AC-3-kuormille. Virtaluokitus 115 A 24–48 V:n AC/DC-kelalla
• LC1G800EHEA, 3-napainen AC-3-kuormille. Virtaluokitus 800 A 48–130 V:n AC/DC-kelalla

Kaikkien TeSys Giga -kontaktorien etupaneelissa on diagnoosiledi vikatilojen nopeaa arviointia varten (kuva 4).

Kuva 2: Tyypillinen TeSys Giga -kontaktori, jonka diagnoosiledi näkyy laitteen yläosassa keskellä. (Kuvan lähde: DigiKey)

TeSys Giga -kontaktorit tarjoavat useita luotettavuutta parantavia ja ennaltaehkäisevää kunnossapitoa tukevia integroituja diagnostiikkatoimintoja. Niihin kuuluvat:

Koskettimen kulumisen diagnosointi ja RWD

Koskettimet kuluvat joka kerta, kun ne katkaisevat virran virtapiirissä. Kosketinvika johtaa siihen, ettei moottoria voida ohjata. TeSys Giga -ohjaimissa käytettävä koskettimien kulumisalgoritmi laskee jatkuvasti koskettimien jäljellä olevan käyttöiän. Kun jäljellä oleva käyttöikä laskee alle 15 prosentin, annetaan varoitus ennaltaehkäisevän huollon järjestämiseksi:

• Kontaktorin etupuolella oleva diagnoosiledi näyttää paikallisen varoituksen.
• Parannettujen kontaktoreiden kanssa voidaan käyttää lisävarusteena saatavaa RWD-moduulia.

Ohjausjännitteen diagnoosi

Ohjausjännite valvoo ali- ja ylijännitteitä. Diagnoosi-ilmoitus tarjoaa etäkäyttömahdollisuuden yksiköissä, joiden osanumero päättyy kirjaimiin LSEMC. Tämä edellyttää valinnaisen RDM (Remote Device Management) -moduulin käyttöä. Alijännite on määritelty syöttöjännitteeksi, joka on alle 80 % minimispesifikaatiosta, ja ylijännite on yli 110 % maksimispesifikaatiosta.

Sisäinen toimintadiagnoosi

Diagnoosiledin jatkuva vilkkuminen tarkoittaa ohjauspiirin sisäistä toimintahäiriötä.

Moottorin suojakytkinlaitteet

Älykäs moottorinohjaus, josta esimerkkinä TeSys Giga -kontaktori, on tärkeä osa Teollisuus 4.0 -järjestelmiä. MPSD-laitteiden käyttö on myös tärkeä tekijä maksimaalisen tuottavuuden ja käytettävyyden varmistamiseksi.

IEC 60947-4-1 -standardissa MPSD tarkoittaa laitetta, joka on suunniteltu suojaamaan moottoria ylikuormitustilanteissa, ja se käyttää viivettä. Toinen laitetyyppi, IMPSD, on erityyppinen MPSD-laite, joka laukeaa välittömästi tunnistettaessa ylikuormitus. IMPSD-laitteita ei yleensä käytetä AC-moottorien suojauksessa.

Sovelluksesta riippuen moottorin käynnistys voi kestää muutaman sekunnin tai useita kymmeniä sekunteja. MPSD on valittava siten, että se täyttää sovelluksen turvallisuusvaatimukset, mutta välttää aiheettomat laukeamiset.

IEC 60947-4-1 -standardi määrittelee useita ylikuormitusreleiden luokkia sovellusten erityistarpeiden mukaan. Laukaisuluokka ilmaisee, kuinka pitkään releen avautumiseen kuluu maksimissaan aikaa ylikuormitustilanteessa.

Pohjois-Amerikan ja IEC:n laukaisuluokkien välillä on lisäksi eroja. Esimerkiksi luokka 10 on pohjoisamerikkalainen laukaisuluokka, joka laukaisee ylikuormituksen 4–10 sekunnin kuluessa siitä, kun laite havaitsee 600 % ylityksen asetetusta ylikuormitusvirrasta. Luokka 10A on IEC-laukaisuluokka, joka laukaisee ylikuormituksen 2–10 sekunnin kuluessa siitä, kun laite havaitsee 720 % ylityksen asetetusta ylikuormitusvirrasta (taulukko 1).

Taulukko 1: Esimerkkejä nimellisvirtaan (Ir) perustuvista termisten ylikuormitusreleiden luokista. (Taulukon lähde: Schneider Electric)

Laukaisuluokat 10A ja 10 soveltuvat normaalikäyttöisille moottoreille. Luokkaa 20 suositellaan raskaaseen käyttöön tarkoitetuille moottoreille aiheettomien laukeamisten välttämiseksi. Luokkaa 30 käytetään moottoreille, joilla on erittäin pitkä käynnistymisaika.

TeSys Giga -ylikuormitusreleet

Termiset TeSys Giga -ylikuormitusreleet ovat erittäin joustavia ja ne on suunniteltu käytettäviksi AC-moottoreiden kanssa. Maavikasuojauksen, vaihe-epätasapainosuojauksen ja laukaisuluokan (5, 10, 20 ja 30) asetukset ovat konfiguroitavissa etupaneelin kautta. Etupaneeli sisältää myös hälytys- ja tilaledit. Näillä releillä on laajat säädettävät termiset ylikuormitussuoja-alueet, joiden ansiosta neljä mallia osittain päällekkäisillä suoja-alueilla mahdollistavat virta-alueen 28–630 A kattamisen (kuva 3):

LR9G115, säädettävissä alueella 28–115 A

LR9G225, säädettävissä alueella 57–225 A

LR9G500, säädettävissä alueella 125–500 A

LR9G630, säädettävissä alueella 160–630 A

Kuva 3: TeSys Giga -ylikuormitusreleiden etupaneeli sisältää tilaledit ja suojaustoiminnot. (Kuvan lähde: DigiKey)

Terminen ylikuormitus

Termistä ylikuormitussuojaa käytetään yksi- ja kolmivaiheisissa asynkronimoottoreissa. Termisen ylikuormitussuojan virtaa voidaan säätää käytettävän ylikuormitusrelemallin mukaan. Lisäksi laukaisuluokka ja siihen liittyvä viive ovat säädettävissä. Terminen ylikuormitussuoja voidaan asettaa automaattisesti tai manuaalisesti resetoitavaksi.

Vaihehäviö

Vaihehäviösuojausta käytetään suojaamaan kolmivaiheisia asynkronimoottoreita ylikuumenemiselta. Ylikuormitusrele valvoo jatkuvasti kunkin vaiheen virtaa. Kun virran arvo yhdessä vaiheessa alittaa 0,1 nimellisvirrasta (Ir) ja virran arvo toisessa vaiheessa ylittää 0,8 Ir, ylikuormitusrele laukeaa 4 ±1 sekunnissa. Vaihehäviösuojausta ei voi poistaa käytöstä ja sen resetointi on suoritettava manuaalisesti.

Vaihe-epätasapainot

Vaihe-epätasapaino aiheuttaa asynkronimoottorin ylikuumenemisen. Yleisiä syitä ovat:

• Pitkä päävirtajohto
• Viallinen kosketin tulokytkimessä
• Verkon epätasapaino

Kun epätasapainosuhde ylittää 40 %, ylikuormitusrele laukeaa 5 ±1 sekunnissa. Vaiheiden epätasapainosuojaus on resetoitava manuaalisesti.

Maadoitusviat

Maadoitusvikasuojausta käytetään kolmivaiheisten asynkronimoottoreiden suojaamiseen. Maadoitusvika syntyy, kun kuormapiirin eristys heikkenee tärinän, kosteuden tai muiden tekijöiden vuoksi. Ylikuormitusrele valvoo maadoitusvikavirtaa (Ig). Kun Ig ylittää yli Ir-arvon 10 prosentilla, rele laukeaa 1 ± 0,2 sekunnissa. Maadoitusvikasuojaus on resetoitava manuaalisesti.

Modulaarisuus

TeSys Giga -kontaktorien modulaarisesta rakenteesta voi olla erityistä hyötyä, jos kosketin kuluu liikaa tai jos ylikuormitus tai muut epänormaalit käyttöolosuhteet vahingoittavat ohjainta. Ohjausmoduuli voidaan vaihtaa haluttaessa vaihtaa kelajännitettä ja kytkentämoduuli voidaan vaihtaa kuluneiden napojen vaihtamiseksi.

Lisävarusteena saatavan sarjan avulla voidaan toteuttaa kaapelimuistitoiminto, joka nopeuttaa huoltoa. Asennuksen jälkeen ohjaus- tai kytkentämoduuli voidaan vaihtaa nopeasti ilman kaapelien irrottamista.

Suunnanvaihto

Kääntökontaktoreita käytetään AC-moottoreiden pyörimissuunnan vaihtamiseen esimerkiksi kuljettimissa, hisseissä ja pakkauslinjoilla. Ne toimivat kääntämällä liitäntöjen polaarisuuden niin, että moottori pyörii vastakkaiseen suuntaan.

Kääntökontaktori voidaan valmistaa käyttämällä kahta mekaanisesti turvalukittua peruskontaktoria. Lukitus estää kontaktoreita kytkeytymästä päälle samanaikaisesti (kuva 6).

Kuva 4: Kahdella turvalukitulla TeSys Giga -kontaktorilla luodaan kääntökontaktori AC-moottoreita varten. (Kuvan lähde: Schneider Electric)

Esimerkiksi 200 hv:n (460 V) kääntökontaktorin (100–250 V:n AC/DC-kela) rakentamiseen voidaan käyttää seuraavia komponentteja (kuva 6):

• LC1G265KUEN, TeSys Giga -moottoriohjain, tarvitaan kaksi
• DZ2FJ6, kontaktorin liitäntäsarja
• LA9G3612, levittimet
• LA9G3761, kääntökiskot
• LA9G970, mekaaninen turvalukitus

Yhteenveto

TeSys Giga -kontaktorit ja ylikuormitusreleet ovat erittäin monipuolisia laitteita, jotka voivat maksimoida vikakestävyyden ja käyttöasteen erilaisissa sovelluksissa. Kontaktorien virtaluokitus on 115–900 A ja ne tarjoavat 3P- ja 4P-konfiguraatiot. Niiden tarjoamat SCCR-arvot ovat jopa 100 kA / 480 V ja niiden modulaarinen rakenne nopeuttaa huoltoa.

Ohjelmoitavat ylikuormitusreleet tarjoavat laajat käyttövirta-alueet, joten pienellä laitemäärällä voidaan täyttää monien sovellusten tarpeet. Lisäksi kaksisuuntainen liikeohjaus voidaan toteuttaa yhdistämällä kaksi TeSys Giga -kontaktoria toisiinsa mekaanisella lukitusjärjestelmällä.