Podstawy styczników silnikowych i ich stosowanie

Zastosowania takie jak instalacje ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji (HVAC), sprężarki, pompy, obróbka materiałów i pakowanie wymagają bezpiecznej instalacji dużych silników pracujących przy wysokich napięciach i natężeniach prądu oraz bezpiecznego sterowania nimi. Sterowanie tak dużymi silnikami elektrycznymi stanowi problem dla projektantów, ponieważ muszą oni zapewnić odpowiednią izolację między silnikiem a obwodem sterowania. Ponadto wysokie napięcia i natężenia prądu mogą generować znaczne elektromagnetyczne stany nieustalone, które mogą uszkadzać elektroniczne elementy sterownicze.

Przekaźniki elektromagnetyczne oferują zdalne sterowanie z izolacją, ale mają swoje ograniczenia. Otwieranie i zamykanie połączeń zasilania z silnikiem dużej mocy generuje łuki elektryczne, które powodują zużycie powierzchni styku przekaźnika, skracając okres użytkowania styku.

Rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie stycznika elektromagnetycznego, czyli przekaźnika specjalnej klasy przeznaczonego do sterowania silnikami. Oprócz tego, że posiada bardziej wytrzymałą konstrukcję i większe, bardziej wytrzymałe styki niż przekaźnik, wykorzystuje także różne techniki gaszenia łuku, w tym specjalne materiały oraz szybsze zamykanie i otwieranie styku.

W niniejszym artykule opisano podstawy elektromagnetycznych styczników silnikowych i ich zalety w porównaniu do innych metod sterowania silnikami. W dalszej części omówiono sposób ich doboru i stosowania na podstawie rzeczywistych przykładów konfiguracji z opracowanej przez firmę Schneider Electric grupy produktów Easy TeSys.

Sposób działania styczników

Styczniki elektromagnetyczne składają się z elektromagnesu zbudowanego na rdzeniu w kształcie litery „E”. Mówiąc konkretnie, elektrycznie izolowaną cewkę owija się koncentrycznie wokół środkowej części rdzenia. Cewka jest wzbudzana przez źródło napięcia sterującego, którym może być prąd zmienny lub stały. Gdy cewka jest zasilana, siła elektromagnetyczna przyciąga twornik znajdujący się na otwartym końcu rdzenia (ilustracja 1).

Ilustracja 1: uproszczony diagram funkcjonalny stycznika w stanie pod napięciem i bez napięcia. (Źródło ilustracji: Art Pini)

Styki elektryczne są mechanicznie połączone z twornikiem. Układ styków różni się w zależności od modelu stycznika: mogą one być zwierne (NO) lub stanowić kombinację zwiernych i rozwiernych (NC). W układzie może znajdować się wiele odizolowanych styków. Na przykład w styczniku 3-fazowym będą znajdować się trzy zestawy styków zasilania, po jednym na każdą fazę. Po przyciągnięciu twornika styki rozwierne (NC) się rozwierają, a zwierne (NO) zwierają. Ponadto wiele styczników posiada pomocniczy zestaw styków niższej mocy, które są wykorzystywane do monitorowania stanu napięcia w styczniku (obecność/brak).

Materiały styków dobiera się z myślą o wysokiej wytrzymałości, doskonałej przewodności elektrycznej oraz odporności na działanie łuku i utlenianie. Geometrię styku projektuje się z myślą o obsłudze konkretnych poziomów mocy i gaszeniu łuków.

Wszystkie elementy stycznika są zamknięte w obudowie, która izoluje elektrycznie styki, zapewniając prostą metodę łączenia oprzewodowania zasilania, obciążenia i cewki. Obudowa stanowi jednocześnie podporę montażową, która może być typu do montażu tablicowego lub na szynie DIN (ilustracja 2).

Ilustracja 2: przykłady typowych obudów styczników: montaż tablicowy (po lewej) i montaż na szynie DIN (po prawej). (Źródło ilustracji: Schneider Electric)

Styczniki Easy TeSys (seria DPE) firmy Schneider Electric są umieszczone w kompaktowej obudowie o szerokości zaledwie 45mm i mogą być montowane na tablicy lub szynie DIN. Obudowa posiada stopień ochrony IP20 zabezpieczający przed dotknięciem. Wszystkie styczniki z tej serii posiadają zwierny styk pomocniczy. Omawiana seria 3-fazowych styczników z certyfikatem UL/CSA posiada następujące parametry znamionowe: natężenie prądu 32A, moc 20KM przy napięciu 480V~ i 25KM przy napięciu 600V~, oraz charakteryzuje się różnymi napięciami wzbudzania cewki sterującej (tabela 1).

Tabela 1: wybrane przykłady styczników z serii Easy TeSys DPE firmy Schneider Electric wraz z natężeniami prądu roboczego i napięciami cewki sterującej. (Źródło tabeli: Art Pini)

Wymienione urządzenia charakteryzują się żywotnością około 1 miliona operacji elektrycznych. Styczniki Easy TeSys są odpowiednie do zastosowań opisanych w kategoriach wykorzystania określonych w normie IEC 60947. Znamionowe natężenia prądu poszczególnych styczników zależą od kategorii wykorzystania. Na przykład kategoria AC-1 obejmuje zastosowania, w których odbiornik jest nieindukcyjny lub tylko nieznacznie indukcyjny, np. piec rezystancyjny. Wśród takich zastosowań znajdują się przede wszystkim odbiorniki rezystancyjne, w przypadku których problemy z napięciami i natężeniami prądu w stanach nieustalonych są mniej problematyczne.

Kategoria AC-3 obejmuje zastosowania do indukcyjnych silników klatkowych, w tym uruchamianie silników i czasami odłączanie od nich zasilania w celu zatrzymania. Silniki są urządzeniami indukcyjnymi, a operacje uruchamiania i zatrzymywania powodują powstawanie indukcyjnych stanów nieustalonych, które intensywniej obciążają stycznik.

Jeszcze większe obciążenia stycznika powodują zastosowania z kategorii AC-4. Kategoria ta obejmuje indukcyjne silniki klatkowe oraz silniki z pierścieniami ślizgowymi, w których występuje hamowanie przeciwprądowe oraz praca impulsowa, w tym praca impulsowa przy obniżonym napięciu. Praca impulsowa to „szybkie wielokrotne przyłożenie zasilania w celu uruchomienia silnika ze stanu spoczynku i realizacji przez silnik małych ruchów”. Praca impulsowa co do zasady odnosi się do uruchamiania silnika za pomocą krótkich impulsów zasilania przy pełnym napięciu. Możliwa jest też praca impulsowa z wykorzystaniem krótkich impulsów zasilania przy obniżonym napięciu. Wielokrotne doprowadzenie zasilania generuje najwyższy poziom obciążenia stycznika.

Dobór konkretnego stycznika Easy TeSys DPE do silnika lub podobnego zastosowania dużej mocy zależy przede wszystkim od stosowanego natężenia prądu. W katalogu produktów Easy TeSys firmy Schneider Electric można znaleźć narzędzia ułatwiające dobór w oparciu o moc silnika, kategorię wykorzystania i wymagany okres użytkowania (ilustracja 3).

Ilustracja 3: przewodnik doboru styczników Easy TeSys DPE do silników z kategorii wykorzystania AC-3 w oparciu o moc silnika i pożądaną żywotność stycznika. (Źródło ilustracji: Schneider Electric)

Jedno z trzech narzędzi ułatwiających dobór styczników zależnie od kategorii wykorzystania sterowanego urządzenia ukazano na ilustracji 3. Jest ono przeznaczone do kategorii wykorzystania AC-3, czyli zasadniczo silnika, który może być zatrzymywany rzadko. Po zatrzymaniu silnika prąd jest równy prądowi roboczemu. Spróbujmy na przykład znaleźć stycznik Easy TeSys DPE do 3-fazowego silnika o mocy 5,5kW działającego przy napięciu 400V z prądem roboczym 11A, gdzie wymagany okres eksploatacji wynosi dwa miliony cykli. Zaczynając na linii dla napięcia 400V, projektant musi zlokalizować moc 5,5kW, a stamtąd poprowadzić linię w górę aż do punktu skrzyżowania z linią dla dwóch milionów operacji. Najbliższy punkt dla modelu DPE (kolor niebieski) wskazuje na DPE 18.

Przykład kategorii wykorzystania AC-4, gdzie silnik jest często zatrzymywany i ponownie uruchamiany, dotyczy większych prądów dla najbardziej niekorzystnych scenariuszy. Przeanalizujemy silnik 3-fazowy o mocy 5,5kW działający przy napięciu 400V i prądzie roboczym 11A w kategorii wykorzystania AC-4, w której następuje odcięcie napięcia w momencie utyku. Żądany okres eksploatacji to 300 tys. operacji.

Prąd utyku dla tego silnika jest sześciokrotnie większy od prądu roboczego, co wymaga zastosowania stycznika o wyższym znamionowym natężeniu prądu (ilustracja 4).

Ilustracja 4: przewodnik doboru styczników Easy TeSys DPE dla kategorii wykorzystania AC-4. Należy pamiętać, że natężenia prądu dla najbardziej niekorzystnych scenariuszy mogą być znacznie większe ze względu na możliwość odcięcia zasilania od silnika podczas jego utyku. (Źródło ilustracji: Schneider Electric)

Aby znaleźć zalecany stycznik, należy zacząć od prądu utyku 66A, który jest sześciokrotnie większy od prądu roboczego 11A. Prowadzimy linię w górę od osi prądu do momentu przecięcia z linią reprezentującą 0,3 mln operacji. Najbliższy odpowiadający punkt wskazuje na model DPE32.

Styczniki serii Easy TeSys DPE są przeznaczone do silników w najczęstszych konfiguracjach i zastosowaniach, takich jak przenośniki, maszyny pakujące, pompy, sprężarki, instalacje ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji, urządzenia chłodnicze i wiele innych.

W grupie produktowej Easy TeSys znajduje się również szereg komplementarnych termicznych przekaźników nadmiarowych zaprojektowanych w celu ochrony obwodów i silników prądu zmiennego przed przeciążeniem, problemami z fazami, wydłużonymi czasami rozruchu i utknięcia wirnika. Przekaźniki te monitorują prąd silnika, a gdy przekracza on ustawioną wartość graniczną, styki rozwierają się, zatrzymując silnik. Dostępnych jest piętnaście różnych modeli, z których każdy posiada szereg nastawnych poziomów prądów wyzwalania. Modele zabezpieczeń nadmiarowych są kompatybilne z niektórymi stycznikami Easy TeSys - modelami od DPE09 do DPE38. Łączą się bezpośrednio z dolnymi zaciskami 3-fazowych styczników za pomocą zacisków śrubowych stycznika. Ten wariant ma taką samą szerokość 45mm i może być montowany na szynie DIN lub przykręcony do tablicy za pomocą mocowania do styczników DPE (ilustracja 5).

Ilustracja 5: przekaźnik zabezpieczenia nadmiarowego montuje się bezpośrednio pod stycznikiem DPE i mocuje za pomocą połączeń śrubowych. (Źródło ilustracji: Schneider Electric)

Termiczny przekaźnik nadmiarowy Easy TeSys DPER32 o parametrach znamionowych 32A/690V posiada regulację poziomu wyzwalania zabezpieczenia termicznego w zakresie od 23 do 32A oraz charakteryzuje się klasą wyzwalania 10 (przy przeciążeniu sześciokrotnie większym od wstępnie ustawionego poziomu zabezpieczenie nadmiarowe zostanie wyzwolone w ciągu 10 sekund) i służy do ochrony silników 3-fazowych o mocy 15kW i napięciu 400V. Jest to urządzenie różnicowe z funkcją wykrywania usterki fazy oraz asymetrii obciążenia. Posiada pokrętło do regulacji temperatury, selektor resetu ręcznego lub automatycznego, selektor trybu testowego do symulacji wyzwolenia, przyciski do resetowania i zatrzymywania, wskaźnik flagowy oraz dwa styki pomocnicze (1 NO + 1 NC) do sygnalizacji usterek. Wykonywane przez użytkownika nastawy chronione są przed zmianą za pomocą zamykanej przezroczystej osłony. Cała grupa termicznych zabezpieczeń przeciążeniowych posiada certyfikację pod kątem zgodności z wieloma normami, w tym IEC, UL i CUL.

Podsumowanie

Projektanci rozwiązań silnikowych o wysokim napięciu roboczym i natężeniu prądu potrzebują niezawodnego sposobu izolacji powiązanych obwodów sterujących i ich ochrony przed promieniowaniem elektromagnetycznym. Trójbiegunowe styczniki DPE Easy TeSys wraz z termicznymi przekaźnikami nadmiarowymi DPER Easy TeSys przeznaczone są do przełączania i ochrony silników w najczęstszych przypadkach ich wykorzystania. Szeroki asortyment modeli do wielu poziomów natężenia prądu i napięcia ułatwia konfigurację zgodnie z wymaganiami określonego zastosowania.