Miten suojata kalliit koneet käyttämällä edullisia kolmivaihevalvontareleitä

Useimmat lämmitys-, ilmanvaihto- ja ilmastointijärjestelmissä (LVI), vedenkäsittelyssä, materiaalinkäsittelyssä, työstökoneissa, merenkulku- ja ilmailusovelluksissa käytettävät kaupalliset ja teolliset koneet käyttävät kolmivaihemoottoreita. Nämä luotettavat laitteet voivat vaurioitua monenlaisissa vikatilanteissa, jotka voivat johtaa vikaantumiseen tai ainakin käyttöiän lyhenemiseen, jos niihin ei puututa nopeasti. Vikaantumiset saattavat johtaa huomattaviin seisokkeihin ja korjauskustannuksiin.

Vaihevalvontareleiden avulla voidaan havaita nämä viat, ilmoittaa niistä operaattoreille ja pysäyttää kone ennen kuin ne aiheuttavat pysyviä vaurioita. Nämä releet tunnistavat, että kaikki kolme vaihetta ovat käytettävissä, että niiden järjestys on oikea ja että vaihejännitteet ovat oikealla alueella. Jos rele havaitsee virheen, se voi avata koskettimet ja käynnistää hälytystilan tai sammuttaa koneen.

Saatavilla on monenlaisia vaihemittausreleitä erilaisia jännitteitä, kolmivaihekonfiguraatioita ja virhetiloja varten. Tässä artikkelissa käsitellään lyhyesti erilaisia moottorien vikatiloja ja vaihemittausreleiden toimintaa. Sen jälkeen siinä kuvataan kolmivaihevalvontareleiden valintaa ja käyttöä Carlo Gavazzin käytännön esimerkkien avulla.

Kolmivaiheisen moottorin vikatilat

Useilla teollisuudenaloilla yleisiin vikoihin sisältyvät muun muassa kolmivaihevirtalähteen viat ja niiden vaikutus moottoreihin. Jos yksi kolmesta vaiheesta puuttuu tai vaihejännitteet ovat epätasapainossa, moottorin jäljellä olevissa vaiheissa voi esiintyä normaalia korkeampia virtoja. Tämä voi vähentää mekaanista tehoa ja synnyttää voimakasta mekaanista tärinää. Vastaavasti ali- ja ylijännitteet pakottavat moottorin kasvattamaan virtaa ohjatakseen samaa kuormaa. Myös tämä voi lyhentää moottorin käyttöikää.

Toinen mahdollisuus on väärä vaihejärjestys, minkä seurauksena moottorin suunta voi vaihtua. Tällä voi olla tuhoisat seuraukset moottorin kuormituspuolella.

Vaihevalvontareleen toiminnot

Vaihevalvontareleet tarjoavat useita kolmivaihevirtalähteen tilaan liittyviä toimintoja. Ne saavat virran kolmivaihejohdoista, joita ne valvovat. Ne kaikki valvovat vaihejärjestystä ja vaihejännitteiden puuttumista. Releet aktivoituvat, kun yhtään vaihetta ei puutu ja vaihejärjestys on oikea. Jos jokin vaiheista puuttuu tai vaihejärjestys on väärä, rele deaktivoidaan. Jotkin vaihevalvontareleet valvovat myös kaikkien kolmen vaiheen jännitetasoa. Jännitteen määrityksessä käytetään TRMS-mittausta (True Root Mean Square) ja se deaktivoi releen, kun amplitudi laskee ennalta asetetun kynnysarvon alapuolelle. Jotkin laitteet tarjoavat saman amplitudin tunnistuksen, mutta niiden raja-arvot ovat säädettävissä. On myös relemalleja, jotka valvovat vaiheiden epäsymmetriaa ja toleranssia. Kaikki releet mahdollistavat viiveen ennen niiden aktivointia. Tämä ehkäisee jännitetasoon ja epäsymmetriaan liittyviä ongelmia sekä aktivoitumisongelmia. Joissakin malleissa viivettä voidaan säätää.

Vaihevalvontareleiden vaihtoehdot

Carlo Gavazzi Inc -yrityksen DPA01CM44 on eräs esimerkki kolmijohdinkonfiguraatioihin tarkoitetusta vaihevalvontareleestä (kuva 1). Sarja ottaa virran kolmivaihevirtalähteestä ja saatavilla on AC-jännitteellä (VAC) 230, 400, 600 ja 690 V toimivia malleja. Nämä releet on tarkoitettu asennettavaksi DIN-kiskoon, ja niitä on saatavana myös pistokeversioina. Relelähtökonfiguraatiot koostuvat joko yhden navan kahden kytkentäpisteen (SPDT) tai kahden navan SPDT-koskettimesta.

Kuva 1: DPA01CM44 on DIN-kiskoon asennettava vaihevalvontarele 208–480 VAC:n kolmivaihejännitteille SPDT-relekosketinlähdöllä. (Kuvan lähde: Carlo Gavazzi Inc.)

Normaaleissa jänniteolosuhteissa rele on aktivoitu, mikä tarkoittaa, että relelähdön normaalisti auki olevat (NO) koskettimet ovat kiinni ja normaalisti kiinni olevat (NC) lähtökoskettimet ovat auki. Rele toimii 100 millisekunnissa (ms). Etulevyn tilaledit ilmaisevat sekä laitteen päälläolon että releen aktivoinnin.

DPA01-vaihevalvontareleet voidaan asentaa valvomaan mitä tahansa kolmivaihejännitettä (esimerkki 1, kuvassa 2). Rele voidaan vaihtoehtoisesti kytkeä myös kolmivaihemoottoriin (esimerkki 2).

Kuva 2: Sovellusesimerkkejä DPA01-sarjan kolmivaihevalvontareleestä. Esimerkissä 1 (vasemmalla) se on liitetty valvomaan kolmivaihejännitettä. Esimerkki 2 (oikealla) kuvaa sen käyttöä kolmivaihemoottorin valvonnassa. (Kuvan lähde: Carlo Gavazzi Inc.)

Kun jommassakummassa sovelluksessa ilmenee vikatila, releeseen sopivalla tavalla liitetty kontaktori katkaisee virran kolmivaihepiiristä, kun taas valvontarele pysyy kytkettynä virtalähteeseen. Kun relettä käytetään valvomaan kolmivaihejännitettä, johon ei ole kytketty moottoria, jännitteettömän vaiheen tunnistus on ongelmatonta, koska puuttuvan tulon taso laskee merkittävästi. Kun valvontarele on kytketty moottoriin, moottori pyrkii sisäisen induktiivisen kytkennän vuoksi regeneroimaan puuttuvan vaiheen. Rele on säädetty tunnistamaan vaiheen puuttuminen, kunhan sen amplitudi on alle 85 % nimellisestä kolmivaihejännitteestä. Näin ollen on tärkeää tarkistaa, että moottorin regenerointi on alle 85 % nimellisjännitteestä.

Räätälöityä yli- tai alijännitekynnystä edellyttävissä sovelluksissa voidaan käyttää Carlo Gavazzin monitoimista vaihevalvontarelettä DPB01CM48. Tämä rele havaitsee yli- ja alijännitteet sekä puuttuvan vaiheen ja väärän vaihejärjestyksen. Ylijännitteen ja alijännitteen kynnystasot ovat käyttäjän säädettävissä etupaneelin kytkimellä (kuva 3).

Kuva 3: Monitoiminen vaihevalvontarele DPB01CM48 valvoo vaiheen puuttumista, vaihejärjestystä ja valittavissa olevia yli- ja alijännitteen kynnysarvoja. Arvot ovat asetettavissa etupaneelin säätimillä. Yli- ja alijännitteen toimintaviive on käyttäjän säädettävissä transienttiaktivoinnin minimoimiseksi. (Kuvan lähde: Carlo Gavazzi Inc.)

Tämä rele on myös DIN-kiskoon asennettava, ja se tukee sekä delta- että tähti-/kolmivaihetopologioita. Se tarjoaa käyttäjän valittavat pääjännitteet 380, 400, 415 ja 480 VAC sekä vaihejännitteet 220, 230, 240 ja 277 VAC. Piirin topologia ja jännitealueet asetetaan sisäisellä dip-kytkimellä. Toinen DPB01-tuoteperheen malli on tarkoitettu pienemmille jännitealueille.

Releen etupaneelissa on kolme säätönuppia. Ylempi asettaa alemman jännitekynnyksen -2...-22 % nimellisjännitteestä, keskimmäinen asettaa ylemmän jännitekynnyksen 2...22 % nimellisjännitteestä. Alimmalla säätimellä asetetaan toimintaviive 10 ms – 30 sekuntia (s). Viiveellä estetään lyhytaikaisten jännitetransienttien aiheuttama releen tahaton aktivointi.

Releen etupaneelissa on kolme ledivaloa, jotka ilmaisevat sen tilan. Vihreä ledi osoittaa, että virta on kytketty. Keltainen ledi osoittaa, että rele on aktivoitu. Hälytyksen tapahtuessa keltainen ledi sammuu ja rele deaktivoidaan aikaviiveen jälkeen sekä punainen ledi vilkkuu. Jos virheen syynä oli yli- tai alijännite, punainen ledi vilkkuu 2 hertsin (Hz) taajuudella ja rele deaktivoidaan aikaviiveen jälkeen. Jos laite havaitsee vaiheen puuttuvan tai virheellisen vaihejärjestyksen, rele deaktivoidaan 200 ms:n sisällä ja punainen ledi vilkkuu 5 Hz:n taajuudella niin kauan kuin virhetila on voimassa.

Vaihevalvontarele DPC01DM69 tarjoaa Carlo Gavazzin täyden ominaisuusvalikoiman (kuva 4). Tämä DIN-kiskoon asennettava rele valvoo vaihejärjestystä ja vaiheen puuttumista sekä ali- ja ylijännitettä, vaiheiden symmetriaa ja toleranssia.

Kuva 4: DPC01DM69 on DIN-kiskoon asennettava vaihevalvontarele. Sen vasemmassa reunassa on ledit, jotka ilmaisevat releen tilan (keltainen), hälytystilan (punainen) ja virran tilan (vihreä). Säätimillä asetetaan toleranssi-/asymmetria- tai ylijännite-/alijännitekynnykset ja releen viiveet. (Kuvan lähde: Carlo Gavazzi Inc.)

Käyttöjännitealue ja kolmivaihetopologia valitaan DPC01DM69-releessä samalla tavalla kuin DPB01CM48-releessä. Se tarjoaa lisäksi dip-kytkinvalinnat käynnistysviiveelle (1 s tai 6 s), lähtökonfiguraatiolle (kahdet SPDT-koskettimet tai yhdet kaksinapaiset kaksoiskoskettimet (DPDT)) sekä yli-/alijännitteen tai epäsymmetrian/toleranssin valvontatoiminnoille.

DPC01CM69 tarjoaa kolme eri tilaa hälytystyypin mukaan. Vaiheen puuttuminen tai virheellinen vaihejärjestys aiheuttaa lähtöreleiden 1 ja 2 deaktivoinnin. Ylijännite tai epäsymmetria aiheuttaa lähtöreleen 1 deaktivoinnin aikaviiveen 1 jälkeen ja alijännite tai toleranssin ylitys aiheuttaa lähtöreleen 2 deaktivoinnin aikaviiveen 2 jälkeen. Tämä kaksoislähtöjärjestely mahdollistaa joustavamman reagoinnin erilaisiin hälytystiloihin.

Epäsymmetria kuvaa virtalähteen laatua ja se määritellään pääjännitteiden suurimman poikkeaman absoluuttisena arvona jaettuna kolmivaihejärjestelmän nimellisjännitteellä. Toleranssi on toinen virtalähteen laatua kuvaava indikaattori, ja se määritellään nimellisjännitteen ja pääjännitteen suurimman poikkeaman absoluuttisena arvona jaettuna kolmivaihejärjestelmän nimellisjännitteellä (kuva 5).

Kuva 5: Kolmivaihelähteen epäsymmetriaa ja toleranssia koskevat yhtälöt. (Kuvan lähde: Carlo Gavazzi Inc.)

Yleensä kolmivaihejännitteen epäsymmetrian tulisi olla alle 2 %, ettei kolmivaihemoottori ylikuumene. Huomaa, että DPC01CM69:n epäsymmetria- ja toleranssialue kattaa arvot 2 – 22 %.

Yhteenveto

Kolmivaihevaihtovirran valvonta on kriittisen tärkeää monilla teollisuudenaloilla vaurioituneiden moottorien aiheuttamien kalliiden seisokkien välttämiseksi. Carlo Gavazzi tekee valvonnasta helppoa ja tehokasta tarjoamalla laajan valikoiman kolmivaihevalvontareleitä, jotka on suunniteltu käyttäen kaikkein kehittyneimpiä mittaustekniikoita. Ne ovat lisäksi helppoja asentaa. Releet vaihtelevat yksinkertaisista vaiheen puuttumista ja vaihejärjestystä valvovista laitteista kompleksisempiin valvontalaitteisiin, jotka lisäksi mittaavat yli- ja alijännitteitä sekä vaiheiden epäsymmetriaa ja toleranssia. Nämä vaihevalvontareleet takaavat, etteivät kolmivaihevirtalähteen ongelmat aiheuta vahinkoa kalliille koneille.