Styczniki elektromagnetyczne do sterowania silnikami indukcyjnymi - jak dobierać?
| TechnikaUrządzenia takie jak systemy ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji (HVAC), sprężarki, pompy, transportery materiałów i podobne zawierają silniki elektryczne dużej mocy zasilane z sieci energetycznej, które są załączane i wyłączane podczas pracy. Sterowanie nimi wymaga zapewnienia bezpiecznej komutacji prądów o wysokim napięciu i natężeniu przy zapewnieniu odpowiedniej izolacji między silnikiem a obwodem sterującym. Ponadto wysokie napięcia i prądy w obwodach mocy mogą generować znaczne zakłócenia elektromagnetyczne i stany nieustalone, które mogą uszkodzić elektroniczne układy sterujące.
Przekaźniki elektromagnetyczne w takim zastosowaniu zapewniają izolację sygnału sterującego, ale mają ograniczenia. Komutacja obwodów dużej mocy przy dużych prądach i napięciach dołączonych do uzwojeń silnika powoduje powstawanie łuku elektrycznego, który wypala powierzchnie styków przekaźnika i skraca jego żywotność.
Rozwiązaniem tego problemu jest użycie stycznika elektromagnetycznego. Pod tą nazwą kryje się specjalna klasa przekaźników przeznaczona do sterowania silnikami i podobnymi urządzeniami o charakterze indukcyjnym. Mają one solidną wytrzymałą konstrukcję mechaniczną i zawierają większe, trwalsze styki niż równoważne pod kątem obciążalności przekaźniki. Dodatkowo styczniki wykorzystują techniki gaszenia łuku, które obejmują magnesy, specjalne materiały oraz konstrukcję mechaniczną zapewniającą szybszy niż w przekaźnikach czas otwierania i zamykania styków.
W artykule przedstawiono rozwiązania konstrukcyjne styczników elektromagnetycznych i wymieniono ich zalety w aplikacjach, gdzie obciążeniem jest silnik indukcyjny. Następnie zaprezentowano charakterystyki przykładowych komponentów tego typu z rodziny Schneider Electric Easy TeSys.
Konstrukcja stycznika elektromagnetycznego
Styczniki elektromagnetyczne składają się z elektromagnesu zbudowanego z użyciem rdzenia typu "E". Na jego środkowej kolumnie zamontowana jest cewka w sposób zapewniający dobre odizolowanie elektryczne jej uzwojenia od reszty konstrukcji. Razem tworzy to elektromagnes wzbudzany przez źródło napięcia sterującego, którym może być prąd przemienny lub stały. Kiedy cewka jest zasilana, siła elektromagnetyczna przyciąga kotwicę zamontowaną przy otwartym końcu rdzenia (rys. 1).
Styki elektryczne są mechanicznie połączone z kotwicą, a ich układ różni się w zależności od modelu stycznika. Mogą one być normalnie otwarte (NO) lub kombinacja normalnie otwartych i normalnie zamkniętych (NC). Stycznik może mieć wiele izolowanych od siebie styków – na przykład wersja do sieci trójfazowej będzie miała trzy zestawy po jednym dla każdej fazy. Kiedy kotwica jest przyciągana, styki NC otwierają się, a NO zamykają się. Wiele styczników zawiera pomocnicze styki o małej obciążalności, które służą do monitorowania stanu komponentu i służą do wykrycia jego awarii.
Materiał, z którego wykonywane są styki kontaktowe i ich kształt wybierane są pod kątem zapewnienia dużej wytrzymałości mechanicznej, doskonałego przewodnictwa elektrycznego oraz odporności na wyładowanie łukowe i utlenianie. Wszystkie elementy stycznika są umieszczone w wytrzymałej obudowie, która zapewnia stabilność i trwałość mechaniczną, dobrą izolację, odporność na temperaturę oraz jednocześnie prosty sposób podłączenia przewodów. Obudowa może być do montażu na panelu lub na szynie DIN (rys. 2).
Styczniki Schneider Electric Easy TeSys z serii DPE są umieszczone w kompaktowej obudowie o szerokości 45 mm i mogą być montowane na panelu lub szynie DIN. Wszystkie komponenty z tej serii zawierają styk pomocniczy NO, a obudowa zapewnia stopień ochrony IP20. Styczniki w wykonaniu 3-fazowym zostały zatwierdzone przez UL/CSA i pozwalają na obciążanie prądem do 32 A, co odpowiada współpracy z silnikiem o mocy 20 KM przy 480 VAC (HP/480 VAC) i 25 HP/600 VAC. Dostępne są wykonania z różnymi napięciami wzbudzenia cewki sterującej (tab. 1).
Komponenty te mają żywotność elektryczną szacowaną na 1 mln i nadają się do zastosowań opisanych w kategoriach użytkowania określonych w normie IEC 60947. Prąd znamionowy poszczególnych wersji zależy od kategorii użytkowania. Na przykład AC-1 opisuje zastosowania, w których obciążenie jest nieindukcyjne lub tylko nieznacznie indukcyjne, takie jak piec. Te zastosowania mają głównie obciążenia rezystancyjne, które mają mniejszy problem z przepięciami podczas komutacji i prądami udarowymi.
Natomiast kategoria AC-3 opisuje zastosowania silników indukcyjnych klatkowych, w których silnik jest uruchamiany i zatrzymywany przez załączanie i wyłączanie zasilania. Ponieważ silniki są obciążeniem indukcyjnym, wywołuje to stany przejściowe, które powodują większe obciążenie stycznika.
Kategoria AC-4 definiuje zastosowania skutkujące jeszcze większym obciążeniem stycznika. Obejmuje silniki indukcyjne klatkowe i z pierścieniem ślizgowym realizujące hamowanie prądem wstecznym oraz impulsami, np. przez "szybkie, powtarzane uruchamianie silnika krótkimi impulsami przy pełnym napięciu w celu uruchomienia ze stanu spoczynku. Czyli jest to rozruch za pomocą cyklicznego załączania i wyłączania zasilania, zapewniającego regulację mocy na podobieństwo techniki PWM. Wielokrotne komutowanie zasilania generuje najwyższy poziom obciążenia stycznika.
Dobór stycznika do aplikacji
Dopasowanie określonego typu stycznika Easy TeSys DPE do silnika lub aplikacji opiera się przede wszystkim na wymaganym prądzie znamionowym. W katalogu producent zamieszcza wykresy wiążące moc silnika, kategorię użytkowania i wymagany okres eksploatacji (rys. 3).
Na rysunku 3 pokazano jeden z trzech dostępnych wykresów pozwalających na wybór stycznika w powiązaniu z kategorią użytkowania. W tym przypadku jest to AC-3, dotycząca silnika, który jest rzadko zatrzymywany. Rozważmy na przykład dobór stycznika dla silnika trójfazowego o mocy 5,5 kW pracującego z napięciem 400 VAC i prądem roboczym 11 A, w przypadku, gdy pożądana żywotność wynosi dwa miliony cykli. Rozpoczynając od linii determinującej napięcie 400 VAC, projektant musi zaznaczyć moc 5,5 kW, a następnie narysować linię w górę, aż przetnie ona linię trwałości dla dwóch milionów operacji. Najbliższy model DPE spełniający to wymaganie (kolor niebieski) to DPE18.
Rozważmy teraz silnik 3-fazowy o mocy 5,5 kW zasilany napięciem 400 VAC i o prądzie znamionowym 11 A w aplikacji AC-4, tj. musi uwzględniać odłączenie zasilania w czasie zatrzymania silnika w warunkach awaryjnych. Żądany okres eksploatacji to 300 000 operacji. Prąd pobierany przez silnik w czasie zatrzymania wirowania pod napięciem jest sześciokrotnie większy od prądu roboczego, co wymaga zastosowania stycznika o wyższym dopuszczalnym obciążeniu (rys. 4).
Dobór zaczyna się od wybrania prądu 66 A, tj. sześciokrotności prądu roboczego 11 A. Przenosząc punkt w górę od osi x, aż przetnie linię reprezentującą wymaganą żywotność 0,3 mln operacji, otrzymujemy, że spełniającym wymagania produktem jest DPE32.
Seria styczników Easy TeSys DPE przeznaczona jest do współpracy z typowymi konfiguracjami i mocami silników w zastosowaniach, takich jak przenośniki, maszyny pakujące, pompy, sprężarki, ogrzewanie i wentylacja, klimatyzacja, chłodnictwo i inne.
Produkty te uzupełniają przekaźniki termiczne do ochrony obwodów prądu przemiennego i silników przed przeciążeniem, w przypadku zaniku jednej fazy, przy wydłużonym czasie rozruchu i przy mechanicznym zablokowaniu wirnika. Przekaźniki te monitorują prąd silnika, a gdy prąd przekracza ustawiony limit prądu, styki odcinają zasilanie i zatrzymują silnik. W sprzedaży dostępnych jest piętnaście różnych modeli, a każdy z nich ma określony zakres nastawianych poziomów wyzwalania nadprądowego. Takie zabezpieczenia przeciążeniowe są kompatybilne ze stycznikami od DPE09 do DPE38. Podłącza się je bezpośrednio do dolnych zacisków stycznika. Wszystkie omawiane elementy mają taką samą szerokość 45 mm i mogą być montowane na szynie DIN lub przykręcane do panelu za pomocą uchwytu stycznika DPE (rys. 5).
Model DPER32 o parametrach znamionowych 32 A/690 VAC ma regulowany zakres aktywacji od 23 do 32 A w klasie wyzwalania 10 (co oznacza zadziałanie przy przeciążeniu o sześciokrotności ustawionego poziomu i że zabezpieczenie przed przeciążeniem zadziała w ciągu 10 s). Jest przeznaczony do ochrony silników trójfazowych o mocy znamionowej 15 kW zasilanych z sieci 400 VAC. Jest to komponent różnicowy wykrywający zanik fazy i asymetrię obciążenia. Ma pokrętło regulacji termicznej, przyciski resetu ręcznego/automatycznego, przycisk testu wyzwolenia, reset i stop, świetlny wskaźnik aktywacji oraz dwa styki pomocnicze (1 NO + 1 NC) do sygnalizacji awarii. Ustawienia są chronione zamykaną przezroczystą pokrywą. Cała rodzina zabezpieczeń przed przeciążeniem termicznym jest certyfikowana zgodnie z wieloma normami, w tym IEC, UL i CUL.
Podsumowanie
Projektanci maszyn przemysłowych z silnikami zasilanymi wysokimi napięciami i pobierającymi duże prądy potrzebują niezawodnych przełączników do sterowania. Trójbiegunowe styczniki Easy TeSys DPE wraz z przekaźnikami termicznymi DPER Easy TeSys pozwalają zapewnić bezpieczeństwo i mają dużą trwałość. Szeroka gama produktów dostępnych w ramach rodziny umożliwia dobranie pasującego modelu w powiązaniu z kategorią użytkowania, obciążalnością i trwałością.
Digi-Key Electronics
https://www.digikey.pl
