Ochrona drogich maszyn za pomocą niedrogich trójfazowych przekaźników monitorowania faz

Większość komercyjnych i przemysłowych maszyn stosowanych w klimatyzacji i wentylacji, uzdatnianiu wody, transporcie bliskim materiałów, obrabiarkach, okrętach i lotnictwie jest napędzana silnikami trójfazowymi. Te niezawodne urządzenia mogą ulec uszkodzeniu w wyniku różnych usterek, które nieusunięte niezwłocznie mogą prowadzić do awarii lub w najlepszym razie skrócenia okresu użytkowania, a w rezultacie do znacznych przestojów i wysokich kosztów napraw.

Do wykrywania tych usterek, powiadamiania operatorów i zatrzymywania maszyny zanim zostanie trwale uszkodzona można wykorzystać przekaźniki monitorowania faz. Przekaźniki te wykrywają obecność wszystkich trzech faz, ich prawidłową kolejność i właściwy zakres napięć fazowych. W przypadku wystąpienia błędu przekaźnik może otworzyć zestaw styków, które mogą zainicjować stan alarmowy lub wyłączyć zasilanie maszyny.

Dostępna jest szeroka gama przekaźników monitorowania faz do obsługi szerokiego zakresu napięć, konfiguracji trójfazowych i stanów błędu. W niniejszym artykule krótko omówiono możliwe rodzaje awarii silnika i sposób działania przekaźników monitorowania faz. Dodatkowo opisano dobór i zastosowanie przekaźników monitorowania trzech faz, bazując na rzeczywistych przykładach firmy Carlo Gavazzi.

Rodzaje awarii silnika trójfazowego

Do typowych usterek w wielu gałęziach przemysłu zaliczają te związane z trójfazowym źródłem zasilania i jego wpływem na silniki. Utrata jednej z trzech faz lub niezrównoważenie napięć fazowych może skutkować wyższymi niż typowo prądami w pozostałych fazach do silnika, co prowadzi do utraty mocy mechanicznej i nadmiernych drgań mechanicznych. Podobnie zbyt niskie i zbyt wysokie napięcia zmuszają silnik do zwiększenia prądu w celu napędzania tego samego obciążenia, co może skrócić żywotność silnika.

Kolejną ewentualnością jest nieprawidłowa kolejność faz, która może powodować zmianę kierunku obrotów silnika, co może mieć katastrofalne skutki po stronie obciążenia silnika.

Funkcje przekaźnika monitorowania faz

Przekaźniki monitorowania faz posiadają szereg funkcji związanych ze stanem trójfazowego źródła zasilania. Zasilane są przez linie trójfazowe, które monitorują. Wszystkie one służą do monitorowania kolejności faz i zaniku napięcia fazowego. Przekaźniki włączone, gdy wszystkie fazy są obecne, a kolejność zasilania jest prawidłowa. W przypadku utraty którejkolwiek z faz lub ich nieprawidłowej kolejności, zasilanie przekaźnika jest wyłączane. Niektóre przekaźniki monitorowania faz kontrolują również poziomy napięcia we wszystkich trzech fazach. W celu określenia napięcia wykorzystywany jest pomiar rzeczywistej średniej kwadratowej (TRMS). Przekaźnik jest dezaktywowany, gdy amplituda spadnie poniżej ustawionej wartości progowej. Niektóre urządzenia oferują tę samą detekcję amplitudy, ale mają możliwość regulacji ustawień granicznych. Wiele modeli przekaźników monitoruje tolerancję i asymetrię faz. Wszystkie przekaźniki charakteryzują się opóźnieniem aktywacji w wyniku poziomu napięcia lub problemów z asymetrią, co ma zapobiegać fałszywej aktywacji. W niektórych modelach opóźnienie może być programowane.

Opcje przekaźników kontroli faz

Przekaźnik DPA01CM44 firmy Carlo Gavazzi Inc. jest przykładem przekaźnika monitorującego fazy w konfiguracjach trójprzewodowych (ilustracja 1). Seria jest zasilana ze źródła trójfazowego. Dostępne modele działają przy napięciach 230, 400, 600 i 690V~. Przekaźniki te są przeznaczone do montażu na szynie DIN, ale dostępne są również wersje wtykowe. Wyjścia przekaźnikowe występują w konfiguracji jednobiegunowej z jednym lub dwoma stykami przełączanymi (SPDT).

Ilustracja 1: montowany na szynie DIN przekaźnik monitorowania faz DPA01CM44 dla linii trójfazowych o napięciu od 208 do 480V~ z wyjściem przekaźnikowym jednobiegunowym ze stykiem przełączanym (SPDT). (Źródło ilustracji: Carlo Gavazzi Inc.)

W warunkach normalnego napięcia przekaźnik jest aktywowany, czyli styki zwierne (NO) wyjścia przekaźnika są zamknięte, a styki rozwierne (NC) wyjścia przekaźnika są otwarte. Zadziałanie przekaźnika następuje w ciągu 100ms. Diody LED statusu na panelu przednim sygnalizują włączenie zasilania i aktywację przekaźnika.

Przekaźniki monitorowania faz DPA01 można zainstalować w celu monitorowania dowolnej linii trójfazowej (przykład 1, na ilustracji 2) lub skojarzyć z silnikiem trójfazowym (przykład 2).

Ilustracja 2: przykłady zastosowań trójfazowego przekaźnika monitorowania faz z serii DPA01. Przykład 1 (po lewej) ukazuje przekaźnik podłączony w układzie do monitorowania linii trójfazowej. Przykład 2 (po prawej) ilustruje zastosowanie w monitorowaniu silnika trójfazowego. (Źródło ilustracji: Carlo Gavazzi Inc.)

Gdy w którymkolwiek przypadku wystąpi stan błędu, stycznik podłączony do przekaźnika w odpowiedni sposób otwiera ciągły obwód trójfazowy, podczas gdy przekaźnik monitowania pozostaje podłączony do źródła zasilania. W przypadku podłączenia go w celu monitorowania linii trójfazowej bez silnika nie ma problemu z wykryciem zaniku fazy, ponieważ poziom brakującego wejścia znacznie spada. Gdy przekaźnik monitorowania jest podłączony do silnika, silnik będzie miał tendencję do regeneracji brakującej fazy z powodu wewnętrznego sprzężenia indukcyjnego. Przekaźnik jest ustawiony na wykrywanie braku fazy, o ile amplituda jest mniejsza niż 85% nominalnego napięcia trójfazowego. W konsekwencji ważne jest, aby sprawdzić, czy regeneracja silnika jest mniejsza niż 85% nominalnego napięcia sieci.

W zastosowaniach wymagających niestandardowej wartości progowej zbyt wysokiego lub zbyt niskiego napięcia można zastosować wielofunkcyjny przekaźnik monitorowania faz DPB01CM48 firmy Carlo Gavazzi. Omawiany przekaźnik wykrywa stany zbyt wysokiego i zbyt niskiego napięcia, a także utratę fazy i niewłaściwą kolejność faz. Poziomy progowe zbyt niskiego i zbyt wysokiego napięcia są regulowane przez użytkownika za pomocą przełącznika na przednim panelu (ilustracja 3).

Ilustracja 3: wielofunkcyjny przekaźnik monitorowania faz DPB01CM48 monitoruje zanik fazy, kolejność faz oraz progi zbyt niskiego i zbyt wysokiego napięcia, które można konfigurować za pomocą elementów sterujących na panelu przednim. Opóźnienie działania w przypadku aktywacji zbyt niskim lub zbyt wysokim napięciem jest regulowane przez użytkownika w celu minimalizacji aktywacji w stanach nieustalonych. (Źródło ilustracji: Carlo Gavazzi Inc.)

Ten przekaźnik również jest montowany na szynie DIN i obsługuje trójfazowe topologie trójkąta i gwiazdy. Posiada programowane przez użytkownika zakresy napięć międzyprzewodowych 380, 400, 415, 480V~ oraz napięć fazowych 220, 230, 240 i 277V~. Topologia obwodu i zakresy napięcia są ustawiane za pomocą wewnętrznego przełącznika DIP. Niższe zakresy napięć obsługuje inny model z grupy DPB01.

Na przednim panelu przekaźnika znajdują się trzy pokrętła sterujące. Górne służy do ustawiania dolnej wartości progowej napięcia w zakresie od -2 do -22% napięcia nominalnego, środkowe służy do ustawiania górnej wartości progowej napięcia w zakresie od 2 do 22% napięcia nominalnego, a dolne służy do ustawiania opóźnienia zadziałania w przedziale pomiędzy 10ms i 30s. Opóźnienie pozwala zapobiegać przypadkowemu wyzwoleniu przekaźnika przez krótkotrwałe stany nieustalone napięcia.

Na przednim panelu przekaźnika znajdują się trzy diody LED sygnalizujące jego status. Zielona dioda LED sygnalizuje, że zasilanie jest włączone. Żółta dioda LED sygnalizuje, że przekaźnik jest pod napięciem. W przypadku zdarzenia alarmowego żółta dioda LED gaśnie, przekaźnik jest wyłączany po upływie określonego czasu, a czerwona dioda LED miga. Jeśli błąd był stanem zbyt wysokiego lub zbyt niskiego napięcia, czerwona dioda LED miga z częstotliwością 2Hz, a po upływie limitu czasu przekaźnik jest wyłączany. W przypadku utraty fazy lub nieprawidłowej kolejności faz, zasilanie przekaźnika jest wyłączane w ciągu 200ms, a czerwona dioda LED miga z częstotliwością 5Hz przez czas trwania stanu błędu.

Przekaźnik monitorowania faz DPC01DM69 posiada najbogatszy zestaw funkcji spośród wszystkich urządzeń firmy Carlo Gavazzi (ilustracja 4). Omawiany przekaźnik przeznaczony do montażu na szynie DIN wykrywa nieprawidłową kolejność faz i zanik fazy, a także stan zbyt niskiego i zbyt wysokiego napięcia, kontroluje symetrię faz oraz ich tolerancję.

Ilustracja 4: montowany na szynie DIN przekaźnik monitorowania faz DPC01DM69 posiada diody LED na lewej krawędzi, które sygnalizują stany przekaźnika (żółta), status alarmu (czerwona) i status zasilania (zielona). Elementy sterujące pozwalają na ustawianie wartości progowych tolerancji/asymetrii lub zbyt niskiego/wysokiego napięcia oraz opóźnienia przekaźników. (Źródło ilustracji: Carlo Gavazzi Inc.)

Jeśli chodzi o wybór zakresu napięcia roboczego i topologii trójfazowej, przekaźnik DPC01DM69 działa podobnie do przekaźnika DPB01CM48. Posiada on dodatkowe opcje wybierane przełącznikami DIP dla opóźnienia włączenia (1s lub 6s), konfiguracji wyjścia (podwójny zestaw styków SPDT lub pojedynczy zestaw styków DPDT) oraz funkcje wykrywania zbyt niskiego/wysokiego napięcia lub monitorowania asymetrii/tolerancji.

Przekaźnik DPC01CM69 działa w trzech różnych trybach w zależności od typu alarmu. Zanik fazy lub nieprawidłowa kolejność faz powoduje wyłączenie zasilania przekaźników wyjściowych 1 i 2. Zbyt wysokie napięcie lub asymetria powoduje, że zasilanie przekaźnika wyjściowego 1 jest wyłączane po upływie ustawionego opóźnienia 1, natomiast zbyt niskie napięcie lub przekroczenie tolerancji powoduje, że zasilanie przekaźnika wyjściowego 2 jest wyłączane po upływie ustawionego opóźnienia 2. Ten podwójny układ wyjść pozwala na większą elastyczność w reagowaniu na różne zdarzenia alarmowe.

Asymetria jest wskaźnikiem jakości źródła zasilania i jest definiowana jako wartość bezwzględna maksymalnego odchylenia napięć linii podzielona przez napięcie znamionowe układu 3-fazowego. Kolejnym wskaźnikiem jakości źródła zasilania jest tolerancja definiowana jako bezwzględna wartość maksymalnego odchylenia napięć linii od napięcia znamionowego podzielona przez napięcie znamionowe układu 3-fazowego (ilustracja 5).

Ilustracja 5: równania asymetrii i tolerancji źródła trójfazowego. (Źródło ilustracji: Carlo Gavazzi Inc.)

Zasadniczo asymetria linii trójfazowych powinna być mniejsza od 2%, aby uniknąć przegrzania silnika trójfazowego. Należy zauważyć, że skale asymetrii i tolerancji na pokrywie przekaźnika DPC01CM69 są w przedziale od 2 do 22%.

Podsumowanie

W wielu branżach monitorowanie trójfazowego prądu zmiennego ma kluczowe znaczenie dla uniknięcia kosztownych przestojów spowodowanych uszkodzeniem silników. Aby je ułatwić i zwiększyć jego skuteczność, firma Carlo Gavazzi oferuje szeroką gamę trójfazowych przekaźników monitorujących zaprojektowanych przy użyciu najbardziej zaawansowanych technik pomiarowych, przy zachowaniu łatwej konfiguracji. Oferowane przekaźniki obejmują zarówno proste urządzenia, które monitorują układ pod kątem zaniku fazy i kolejności faz, jak i bardziej złożone monitory, które dodatkowo wykrywają stany zbyt niskiego i zbyt wysokiego napięcia, a także asymetrię i tolerancję faz. Wspomniane przekaźniki monitorowania faz zabezpieczają drogie maszyny przed uszkodzeniem na skutek problemów z trójfazowym źródłem zasilania.