Cum pot controalele inteligente ale motoarelor să maximizeze rezistența și timpul de funcționare

Există o cerință de controale inteligente ale motoarelor care pot maximiza rezistența și timpul de funcționare al utilajelor în următoarea generație de aplicații de producție din Industria 4.0, prelucrarea metalelor și a materialelor de bază, extracția mineralelor și mineritului, precum și pentru infrastructura critică, cum ar fi instalațiile de apă potabilă și apă uzată.

Sistemele de control al motoarelor din aceste aplicații trebuie să poată controla și proteja motoare cu puteri cuprinse între 75 CP și 700 CP. Pentru a susține funcționarea rezistentă, este necesară o protecție completă, inclusiv protecție la suprasarcină, protecție la lipsa împământării și protecție la dezechilibru de fază.

De asemenea, acestea ar trebui să includă autodiagnosticare pentru uzura contactelor și detectarea supratensiunii/subtensiunii bobinei cu indicatori vizibili pentru a sprijini întreținerea predictivă, dar și să aibă modele modulare pentru o întreținere mai rapidă pentru a maximiza timpul de funcționare. Conformitatea cu valoarea nominală maximă a curentului de scurtcircuit (SCCR) pentru National Electrical Code (NEC), UL și Comisia Electrotehnică Internațională (IEC) este necesară pentru a se asigura că echipamentul electric poate rezista la curenți mari fără a fi deteriorat și că acest lucru este sigur.

Aceste dispozitive de control al motoarelor trebuie, de asemenea, să fie conforme cu IEC 60947-4-1, care reglementează siguranța contactoarelor și a demaroarelor electromecanice, inclusiv a dispozitivelor de comutare de protecție a motorului (MPSD), a dispozitivelor de comutare de protecție instantanee a motorului (IMPSD) și a actuatoarelor releelor de contactor.

Articolul de față începe cu o prezentare generală a cerințelor SCCR. Apoi, analizează în profunzime o familie recent dezvoltată de controale inteligente ale motoarelor de la Schneider Electric, inclusiv contactoare modulare și relee de suprasarcină, detaliind operarea funcțiilor de protecție și modul în care este implementată autodiagnosticarea.

Acesta analizează modul în care aceste relee de suprasarcină îndeplinesc cerințele IEC 60947-4-1 și arată cum designul modular accelerează întreținerea preventivă. Se încheie prin examinarea modului în care două contactoare pot fi utilizate pentru a asambla un ansamblu de inversare, permițând controlul bidirecțional al motoarelor c.a.

SCCR este o caracteristică esențială pentru specificarea unui panou de control care contribuie la fiabilitatea generală. Este utilizat la dimensionarea componentelor de putere, cum ar fi contactoarele și conductoarele. IEC 60947-4-1 detaliază trei faze pentru calcularea SCCR (Figura 1):

1. Identificați SCCR pentru fiecare componentă de protecție și/sau de control și pentru fiecare bloc și element din sistemul de distribuție.
2. Determinați valoarea SCCR a fiecărui circuit ramificat. Pe baza valorilor componentelor din circuit.
3. Determinați valoarea SCCR a panoului de comandă complet. Pe baza valorilor circuitelor.

Figura 1: Calculele SCCR încep cu valorile nominale ale componentelor individuale (casetele galbene), trece la determinarea valorilor SCCR ale circuitelor secundare (caseta roșie întreruptă) și apoi iau în considerare cerințele SCCR ale panoului de comandă complet (dreptunghi gri). (Sursa imaginii: Schneider Electric)

Contactoare TeSys Giga

Contactoarele TeSys Giga sunt disponibile cu valori nominale de la 115 la 900 de amperi (A) în configurații cu 3 poli (3P) și 4 poli (4P). Acestea au SCCR de până la 100 de kiloamperi (kA) și 480 de volți (V), cu specificul diferitelor dispozitive de protecție și valori nominale enumerate într-un tabel pe partea laterală a contactorului. În plus, contactoarele 4P indică valorile nominale ale motorului AC-3 și CP. Aceste contactoare sunt disponibile pentru două categorii de sarcină:

• AC-1 – Se aplică sarcinilor c.a. la care factorul de putere este mai mare de 0,95. Acestea sunt, în principal, sarcini neinductive sau ușor inductive, cum ar fi sarcinile rezistive. Întreruperea arcului duce la minimizarea arcului și a uzurii contactelor.
• AC-3 – Se aplică motoarelor cu înfășurare în colivie cu întrerupere în timpul funcționării normale a motorului. La închidere, există un curent de anclanșare de până la șapte ori mai mare decât curentul nominal de sarcină maximă al motorului. La deschidere, contactorul întrerupe curentul nominal de sarcină maximă al motorului.

Contactoarele TeSys Giga pot fi alimentate de o tensiune de control de curent alternativ (c.a.) sau de curent continuu (c.c.) și au supresoare de supratensiune încorporate. Există două versiuni de contactoare, standard și avansate. Contactoarele standard sunt concepute pentru utilizare generală. Printre exemple se numără:

• LC1G1154LSEN, 4P pentru sarcini AC-1. Evaluat la 250 A cu o bobină cu bandă largă de 200-500 V c.a./c.c.
• LC1G225KUEN, 3P pentru sarcini AC-3. Evaluat la 225 A cu o bobină de 100-250 V c.a./c.c.

Contactoarele avansate TeSys Giga au caracteristici suplimentare, cum ar fi o selecție mai largă de tensiuni ale bobinei, un consum mai mic de energie al bobinei, o intrare pentru controler logic programabil (PLC) și un design al cablului care permite întreținerea fără a scoate cablurile sau conexiunile barelor colectoare.

Modelele avansate sunt, de asemenea, compatibile cu modulul opțional Remote Wear Diagnosis (RWD) discutat în secțiunea următoare. Exemplele de contactoare avansate includ:

• LC1G115BEEA, 3P pentru sarcini AC-3. Evaluat la 115 A cu o bobină de 24-48 V c.a./c.c.
• LC1G800EHEA, 3P pentru sarcini AC-3. Evaluat la 800 A cu o bobină de 48-130 V c.a./c.c.

Toate contactoarele TeSys Giga includ un led de diagnosticare pe panoul frontal pentru evaluarea rapidă a condițiilor de defecțiune (Figura 4).

Figura 2: Contactor TeSys Giga tipic care prezintă ledul de diagnosticare în partea centrală de sus a unității. (Sursa imaginii: DigiKey)

Contactoarele TeSys Giga au mai multe funcții de diagnosticare integrate pentru a îmbunătăți fiabilitatea și pentru a sprijini întreținerea preventivă, inclusiv:

Diagnosticarea uzurii contactelor și RWD

Contactele se uzează de fiecare dată când întrerup curentul în circuitul de alimentare. O defecțiune a contactului duce la pierderea controlului motorului. Algoritmul de uzură a contactelor din controlerele TeSys Giga calculează continuu durata de viață rămasă a contactelor. Atunci când durata de viață rămasă este mai mică de 15 %, se emite o alertă, care permite programarea întreținerii preventive:

• O alertă locală este vizibilă prin ledul de diagnosticare de pe partea frontală a contactorului.
• Un modul RWD opțional poate fi utilizat cu contactoarele avansate.

Diagnosticarea tensiunii de control

Tensiunea de control monitorizează condițiile de subtensiune și supratensiune. Indicația de diagnosticare este disponibilă de la distanță pe unitățile cu numere de catalog care se termină în LSEMC, utilizând un modul opțional de gestionare a dispozitivelor de la distanță (RDM). O subtensiune este definită ca o tensiune de alimentare sub 80 % din specificația minimă, iar o supratensiune este definită ca fiind mai mare de 110 % din valoarea maximă.

Diagnosticarea funcționării interne

Pâlpâirea continuă a ledului de diagnosticare indică orice defecțiune internă a circuitelor de control.

Dispozitive de comutare pentru protecția motorului

Controalele inteligente ale motoarelor, precum contactoarele TeSys Giga, reprezintă o parte importantă a instalațiilor din Industria 4.0. Utilizarea MPSD este, de asemenea, un aspect important pentru a asigura productivitate și disponibilitate maxime.

În IEC 60947-4-1, MPSD se referă la un dispozitiv proiectat cu o întârziere pentru a proteja un motor împotriva condițiilor de suprasarcină. Un al doilea tip de dispozitiv, un IMPSD, este un tip specific de MPSD care se declanșează imediat după detectarea unei suprasarcini. Dispozitivele IMPSD nu sunt, de obicei, asociate cu protecția motoarelor c.a.

În funcție de aplicație, pornirea motorului poate dura câteva secunde sau câteva zeci de secunde. MPSD trebuie să fie specificat pentru a îndeplini cerințele de siguranță ale aplicației, evitând în același timp declanșările nedorite.

Pentru a satisface nevoile specifice ale aplicațiilor, IEC 60947-4-1 definește mai multe clase de relee de suprasarcină. Clasa de declanșare indică timpul maxim necesar pentru ca releul să se deschidă atunci când există o suprasarcină.

Există, de asemenea, diferențe între clasele de declanșare din America de Nord și IEC. De exemplu, clasa 10 este o clasă de declanșare nord-americană care declanșează suprasarcina în 4-10 secunde de la detectarea a 600 % din setarea curentului de suprasarcină. Clasa 10A este o clasă de declanșare IEC care declanșează suprasarcina în 2-10 secunde de la detectarea a 720 % din setarea curentului de suprasarcină (Tabelul 1).

Tabelul 1: Exemple de clase de relee de suprasarcină termică bazate pe curentul nominal (Ir). (Sursa tabelului: Schneider Electric)

Clasele de declanșare 10A și 10 sunt potrivite pentru motoarele cu regim de funcționare normal. Clasa 20 este recomandată pentru motoarele de mare putere, pentru a evita declanșările nedorite. Clasa 30 este utilizată cu un motor cu pornire foarte lungă.

Relee de suprasarcină TeSys Giga

Releele de suprasarcină termică TeSys Giga sunt extrem de flexibile și sunt concepute pentru utilizarea cu motoare c.a. Setările pentru protecția împotriva defecțiunilor de împământare, protecția împotriva dezechilibrului de fază și clasa de declanșare (5, 10, 20 și 30) pot fi configurate pe panoul frontal. De asemenea, panoul frontal include leduri de alarmă și de stare. Acestea au intervale largi reglabile de protecție la suprasarcină termică care permit ca patru modele suprapuse să gestioneze aplicații de la 28 A la 630 A (Figura 3):

LR9G115, reglabil de la 28 la 115 A

LR9G225, reglabil de la 57 la 225 A

LR9G500, reglabil de la 125 la 500 A

LR9G630, reglabil de la 160 la 630 A

Figura 3: Panoul frontal al releelor de suprasarcină TeSys Giga include leduri de stare și reglaje de protecție. (Sursa imaginii: DigiKey)

Suprasarcini termice

Protecția la suprasarcină termică este utilizată cu motoarele asincrone monofazate și trifazate. Nivelul curentului pentru protecția la suprasarcină termică poate fi ajustat în funcție de modelul releului de suprasarcină utilizat. În plus, clasa de declanșare și întârzierea asociată sunt reglabile. Protecția la suprasarcină termică poate fi setată pentru resetare automată sau manuală.

Pierderea fazei

Protecția împotriva pierderii de fază este utilizată pentru a proteja motoarele asincrone trifazate împotriva supraîncălzirii. Releul de suprasarcină monitorizează continuu curentul în fiecare fază. Atunci când valoarea curentului în una dintre faze este mai mică de 0,1 din curentul nominal (Ir), iar valoarea curentului în altă fază este mai mare de 0,8 Ir, releul de suprasarcină se declanșează în 4 ± 1 secunde. Protecția împotriva pierderii de fază nu poate fi dezactivată și trebuie resetată manual.

Dezechilibre de fază

Dezechilibrele de fază provoacă supraîncălzirea unui motor asincron. Cauzele frecvente includ:

• Linie de alimentare principală lungă
• Contact defect pe comutatorul de intrare
• Rețea dezechilibrată

Atunci când raportul de dezechilibru depășește 40 %, releul de suprasarcină se declanșează în 5 ± 1 secunde. Protecția împotriva dezechilibrului de fază trebuie resetată manual.

Defecte de împământare

Protecția împotriva defecțiunilor de împământare este utilizată pentru a proteja motoarele asincrone trifazate. O defecțiune de împământare apare atunci când izolația de pe circuitul de sarcină devine ineficientă din cauza vibrațiilor, a umidității sau a altor factori. Releul de suprasarcină monitorizează curentul de masă (Ig). Când Ig depășește mai mult de 10 % din Ir, releul se declanșează în 1 ± 0,2 secunde. Protecția împotriva defecțiunilor de împământare trebuie resetată manual.

Modularitate

Designul modular al contactoarelor TeSys Giga poate fi deosebit de util în cazul uzurii excesive a contactelor sau în cazul în care o suprasarcină sau alte condiții anormale de funcționare deteriorează controlerul. Modulele de control pot fi, de asemenea, înlocuite pentru a se adapta la diferite tensiuni ale bobinei, iar modulul de comutare poate fi schimbat pentru a înlocui polii uzați.

O funcție de memorare a cablurilor poate fi implementată cu un kit opțional pentru a facilita întreținerea rapidă. Odată instalat, modulul de control sau de comutare poate fi înlocuit rapid, fără a îndepărta cablurile.

Funcționarea inversă

Contactoarele de inversare sunt utilizate pentru a schimba direcția de rotație a motoarelor c.a. în aplicații precum transportoare, ascensoare și linii de ambalare. Acestea funcționează prin inversarea polarității conexiunilor, determinând motorul să se rotească în direcția opusă.

Un contactor de inversare poate fi realizat folosind două contactoare standard cu interblocare mecanică. Interblocarea previne pornirea simultană a contactoarelor (Figura 6).

Figura 4: Două contactoare TeSys Giga interconectate pentru a forma un contactor de inversare pentru motoare c.a. (Sursa imaginii: Schneider Electric)

De exemplu, următoarele componente pot fi utilizate pentru a construi un contactor de inversare pentru 200 CP la 460 V cu o bobină de 100-250 V c.a./c.c. (Figura 6):

• LC1G265KUEN, controler motor TeSys Giga, două necesare
• DZ2FJ6, kit de urechi pentru contactor
• LA9G3612, distribuitoare
• LA9G3761, bare de inversare
• LA9G970, interblocare mecanică

Rezumat

Contactoarele TeSys Giga și releele de suprasarcină sunt dispozitive extrem de versatile care pot maximiza rezistența și timpul de funcționare într-o gamă largă de aplicații. Contactoarele au valori nominale de la 115 la 900 A în configurații 3P și 4P. Acestea au valori SCCR de până la 100 kA 480 V, iar designul lor modular accelerează întreținerea.

Releele de suprasarcină programabile au game largi ale curentului de operare, permițând unui număr mic de dispozitive să îndeplinească cerințele mai multor aplicații. În cele din urmă, controlul mișcării bidirecționale poate fi realizat prin conectarea a două contactoare TeSys Giga cu un sistem de interblocare mecanică.