Hoe slimme motorbesturingen robuustheid en uptime kunnen maximaliseren

Er is een groeiende behoefte aan slimme motorbesturingen die de robuustheid en uptime van machines kunnen maximaliseren in productie, metaal- en basismaterialenverwerking, delfstoffenwinning en mijnbouw van de volgende generatie Industry 4.0, en in kritieke infrastructuur zoals drinkwater- en afvalwaterinstallaties.

Motorbesturingen voor dit soort toepassingen moeten motoren tussen 75 pk (HP) en 700 pk kunnen besturen en beveiligen. Uitgebreide beveiliging, inclusief beveiliging tegen overbelasting, aardlekbeveiliging en beveiliging tegen fase-onbalans, is nodig om een robuuste werking te ondersteunen.

Ze moeten ook beschikken over zelfdiagnose met zichtbare indicatoren voor contactslijtage en detectie van over-/onderspanning van de spoel. Bovendien moeten ze modulaire ontwerpen hebben voor sneller en eenvoudiger onderhoud voor maximale uptime. Naleving van de National Electrical Code (NEC), UL en International Electrotechnical Commission (IEC) kortsluitstroomclassificatie (short circuit current rating of SCCR) is nodig om te zorgen dat elektrische apparatuur bestand is tegen hoge stromen en veilig is.

Deze motorbesturingen moeten ook voldoen aan IEC 60947-4-1 met betrekking tot de veiligheid van elektromechanische contactoren en starters, inclusief motorbeveiligingsschakelaars (MPSD), ‘instantaneous-only’ motorbeveiligingsschakelaars (IMPSD) en actuatoren van contactorrelais.

Dit artikel begint met een overzicht van de SCCR-vereisten. Vervolgens wordt dieper ingegaan op een recent ontwikkelde serie slimme motorbesturingen van Schneider Electric, waaronder modulaire contactoren en overbelastingsrelais. Hierbij worden de werking van de beveiligingsfuncties en de implementatie van zelfdiagnose in detail beschreven.

Er wordt gekeken hoe deze overbelastingsrelais voldoen aan de vereisten van IEC 60947-4-1 en hoe het modulaire ontwerp preventief onderhoud versnelt. Tot slot wordt bekeken hoe twee contactoren of magneetschakelaars kunnen worden gebruikt om een omkeerschakeling samen te stellen voor een bidirectionele besturing van wisselstroommotoren.

De SCCR is essentieel bij het specificeren van een bedieningspaneel en draagt bij aan de algehele betrouwbaarheid. De rating wordt gebruikt bij het dimensioneren van vermogenscomponenten zoals contactoren en conductors. IEC 60947-4-1 beschrijft drie fasen voor het berekenen van de SCCR (afbeelding 1):

1. Identificeer de SCCR van elke beveiligings- en/of besturingscomponent en elk blok en element in het distributiesysteem.
2. Bepaal de SCCR van elke aftakking, op basis van de waarden van de componenten in het circuit.
3. Bepaal de SCCR van het volledige bedieningspaneel, op basis van de waarden van de circuits.

Afbeelding 1: SCCR-berekeningen beginnen met de individuele componentwaarden (gele vakken), gaan omhoog om de SCCR van aftakcircuits te bepalen (rode gestippelde vak) en houden dan rekening met de SCCR-behoeften van het voltooide bedieningspaneel (grote grijze vak). (Bron afbeelding: Schneider Electric)

TeSys Giga-magneetschakelaars

TeSys Giga-magneetschakelaars zijn verkrijgbaar met ratings van 115 tot 900 ampère (A) in zowel driepolige (3P) als vierpolige (4P) configuraties. Ze hebben SCCR’s tot 100 kiloampère (kA) en 480 volt (V), met de specifieke kenmerken voor verschillende beveiligingen en nominale waarden in een tabel op de zijkant van de magneetschakelaar. Bovendien geven de 4P-magneetschakelaars de AC-3- en HP-motorwaarden weer. Deze magneetschakelaars zijn verkrijgbaar voor twee belastingscategorieën:

• AC-1: dit geldt voor AC-belastingen waarbij de arbeidsfactor meer dan 0,95 is. Dit zijn voornamelijk niet-inductieve of licht-inductieve belastingen, zoals weerstandsbelastingen. Het onderbreken van de vlamboog resulteert in minimale vlamboogvorming en contactslijtage.
• AC-3: dit geldt voor motoren met een kooianker (squirrel-cage rotor) die onderbreken tijdens normaal bedrijf van de motor. Bij het sluiten ontstaat er een inschakelstroom tot zeven keer de nominale stroom bij volle belasting van de motor. Bij het openen onderbreekt de contactor de nominale vollaststroom van de motor.

TeSys Giga-magneetschakelaars kunnen worden gevoed door een wisselspanning (AC) of gelijkspanning (DC) en hebben ingebouwde overspanningsonderdrukkers. Er zijn twee versies van magneetschakelaars, standaard en geavanceerd. Standaard magneetschakelaars zijn ontworpen voor algemeen gebruik. Voorbeelden zijn:

• LC1G1154LSEN, 4P voor AC-1-belastingen. Geschikt voor 250 A met een breedbandspoel van 200-500 V AC/DC
• LC1G225KUEN, 3P voor AC-3-belastingen. Geschikt voor 225 A met een spoel van 100-250 V AC/DC

Geavanceerde TeSys Giga-magneetschakelaars hebben extra functies zoals een grotere keuze aan spoelspanningen, een lager energieverbruik van de spoel, een PLC-ingang (Programmable Logic Controller) en een kabelontwerp dat onderhoud mogelijk maakt zonder kabels of busbaraansluitingen te verwijderen.

Geavanceerde modellen zijn ook compatibel met de optionele RWD-module (Remote Wear Diagnosis) die in de volgende paragraaf wordt besproken. Voorbeelden van geavanceerde contactoren zijn:

• LC1G115BEEA, 3P voor AC-3-belastingen. Geschikt voor 115 A met een spoel van 24-48 V AC/DC
• LC1G800EHEA, 3P voor AC-3-belastingen. Geschikt voor 800 A met een spoel van 48-130 V AC/DC

Alle TeSys Giga-magneetschakelaars zijn voorzien van een diagnoselampje op het voorpaneel voor eenvoudige beoordeling van foutcondities (afbeelding 4).

Afbeelding 2: Een typische TeSys Giga-magneetschakelaar met een diagnoselampje in het midden bovenaan de unit. (Bron afbeelding: DigiKey)

TeSys Giga-magneetschakelaars hebben verschillende geïntegreerde diagnosefuncties om de betrouwbaarheid te verbeteren en preventief onderhoud te ondersteunen, waaronder:

Diagnose van contactslijtage en RWD

Elke keer als contacten de stroom in het stroomcircuit onderbreken, slijten ze enigszins. Een contactstoring leidt tot verlies van motorbesturing. Het algoritme voor contactslijtage in de TeSys Giga-besturingen berekent continu de resterende levensduur van de contacten. Wanneer de resterende levensduur minder dan 15% is, wordt er een waarschuwing gegeven zodat preventief onderhoud kan worden gepland:

• Een lokale waarschuwing wordt weergegeven via het diagnoselampje aan de voorkant van de magneetschakelaar.
• Een optionele RWD-module kan worden gebruikt met geavanceerde contactoren.

Diagnose van de stuurspanning

De stuurspanning controleert op onder- en overspanning. De diagnose-indicatie is op afstand beschikbaar op apparaten met onderdeelnummers die eindigen op LSEMC met behulp van een optionele module voor apparaatbeheer op afstand (remote device management of RDM). Een onderspanning wordt gedefinieerd als een voedingsspanning lager dan 80% van de minimumspecificatie. Een overspanning is hoger dan 110% van het maximum.

Diagnose van de interne werking

Als het diagnoselampje continu knippert, duidt dit op een interne storing in het besturingscircuit.

Schakelapparatuur voor motorbeveiliging

Slimme motorbesturingen zoals TeSys Giga-magneetschakelaars zijn een belangrijk onderdeel van Industry 4.0-installaties. Het gebruik van MPSD’s is ook een belangrijke overweging om maximale productiviteit en beschikbaarheid te garanderen.

In IEC 60947-4-1 verwijst MPSD naar een apparaat dat is ontworpen met een vertraging om een motor te beschermen tegen overbelasting. Een tweede type apparaat, een IMPSD, is een specifiek type MPSD dat onmiddellijk uitschakelt wanneer een overbelasting wordt gedetecteerd. IMPSD’s worden meestal niet geassocieerd met AC-motorbeveiliging.

Afhankelijk van de toepassing kan het starten van de motor enkele seconden of enkele tientallen seconden duren. De MPSD moet worden gespecificeerd om aan de toepassingsvereisten voor veiligheid te voldoen terwijl hinderlijke uitschakelingen worden vermeden.

Om aan specifieke toepassingsbehoeften te voldoen, definieert IEC 60947-4-1 verschillende klassen van overbelastingsrelais. De uitschakelklasse (trip class) geeft de maximale tijd aan die het relais nodig heeft om te openen bij overbelasting.

Er zijn ook verschillen tussen Noord-Amerikaanse en IEC-uitschakelklassen. Klasse 10 is bijvoorbeeld een Noord-Amerikaanse uitschakelklasse die de overbelasting binnen 4 tot 10 seconden na detectie van 600% van de ingestelde overbelastingsstroom uitschakelt. Klasse 10A is een IEC-uitschakelklasse die de overbelasting binnen 2 tot 10 seconden na detectie van 720% van de ingestelde overbelastingsstroom uitschakelt (tabel 1).

Tabel 1: Voorbeelden van klassen van thermische overbelastingsrelais op basis van nominale stroom (Ir). (Bron tabel: Schneider Electric)

Uitschakelklassen 10A en 10 zijn geschikt voor motoren voor normaal bedrijf. Klasse 20 wordt aanbevolen voor zware motoren om hinderlijke uitschakelingen te voorkomen. Klasse 30 wordt gebruikt met motoren die zeer lang starten.

TeSys Giga-overbelastingsrelais

TeSys Giga thermische overbelastingsrelais zijn uiterst flexibel en ontworpen voor gebruik met AC-motoren. Instellingen voor aardlekbeveiliging, bescherming tegen fase-onbalans en uitschakelklasse (5, 10, 20 en 30) zijn configureerbaar op het voorpaneel. Het voorpaneel bevat ook alarm- en statuslampjes. Deze hebben een breed instelbaar bereik voor thermische overbelastingsbeveiliging voor vier overlappende modellen voor toepassingen tussen 28 A en 630 A (afbeelding 3):

LR9G115, instelbaar van 28 tot 115 A

LR9G225, instelbaar van 57 tot 225 A

LR9G500, instelbaar van 125 tot 500 A

LR9G630, instelbaar van 160 tot 630 A

Afbeelding 3: Het voorpaneel van TeSys Giga-overbelastingsrelais bevat statuslampjes en beveiligingsinstellingen. (Bron afbeelding: DigiKey)

Thermische overbelastingen

Thermische overbelastingsbeveiliging wordt gebruikt bij asynchrone eenfase- en driefasemotoren. Het stroomniveau voor thermische overbelastingsbeveiliging kan worden aangepast op basis van het model van het gebruikte overbelastingsrelais. Bovendien zijn de uitschakelklasse en de bijbehorende vertraging instelbaar. Thermische overbelastingsbeveiliging kan worden ingesteld voor automatische of handmatige reset.

Faseverlies

Faseverliesbeveiliging wordt gebruikt om asynchrone driefasemotoren te beschermen tegen oververhitting. Het overbelastingsrelais controleert continu de stroom in elke fase. Wanneer de stroomwaarde in een van de fasen lager is dan 0,1 van de nominale stroom (I-rated of Ir) en de stroomwaarde in een andere fase hoger is dan 0,8 x Ir, wordt het overbelastingsrelais binnen 4 ±1 seconden geactiveerd. De faseverliesbeveiliging kan niet worden uitgeschakeld en moet handmatig worden gereset.

Fase-onbalans

Fase-onbalans veroorzaakt oververhitting van een asynchrone motor. Veelvoorkomende oorzaken zijn onder andere:

• Lange hoofdvoedingsleiding
• Defect contact op de incomer-schakelaar
• Onevenwichtig netwerk

Wanneer de onbalansratio meer dan 40% bedraagt, treedt het overbelastingsrelais na 5 ±1 seconden in werking. De fase-onbalansbeveiliging moet handmatig worden gereset.

Aardlek

Aardlekbeveiliging wordt gebruikt om asynchrone driefase-motoren te beschermen. Een aardlek treedt op wanneer de isolatie van het belastingscircuit ineffectief wordt door trillingen, vocht of andere factoren. Het overbelastingsrelais bewaakt de aardstroom (I-ground of Ig). Als Ig meer dan 10% hoger is dan Ir schakelt het relais binnen 1 ±0,2 seconden uit. De aardlekbeveiliging moet handmatig worden gereset.

Modulariteit

Het modulaire ontwerp van de TeSys Giga-magneetschakelaars kan bijzonder handig zijn als er overmatige slijtage van de contacten optreedt of als een overbelasting of andere abnormale bedrijfsomstandigheden de controller beschadigen. De besturingsmodules kunnen ook worden vervangen voor verschillende spoelspanningen, en de schakelmodule kan worden vervangen bij versleten polen.

Met behulp van een optionele kit kan een kabelgeheugenfunctie worden geïmplementeerd voor snel en eenvoudig onderhoud. Eenmaal geïnstalleerd kan de bedienings- of schakelmodule snel worden vervangen zonder de kabels te verwijderen.

Omkeren

Omkeermagneetschakelaars (reversing contactors) worden gebruikt om de draairichting van wisselstroommotoren te wijzigen in toepassingen zoals transportbanden, liften en verpakkingslijnen. Ze werken door de polariteit van de aansluitingen om te keren, waardoor de motor in de tegenovergestelde richting draait.

Een omkeermagneetschakelaar kan worden gemaakt met twee mechanisch vergrendelde standaardmagneetschakelaars. De vergrendeling voorkomt dat de magneetschakelaars tegelijkertijd worden ingeschakeld (afbeelding 4).

Afbeelding 4: Twee onderling vergrendelde TeSys Giga-magneetschakelaars vormen een omkeermagneetschakelaar voor wisselstroommotoren. (Bron afbeelding: Schneider Electric)

De volgende componenten kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om een omkeermagneetschakelaar te bouwen die geschikt is voor 200 pk bij 460 V met een 100-250 V AC/DC-spoel (afbeelding 4):

• LC1G265KUEN, TeSys Giga-motorcontroller, twee vereist
• DZ2FJ6, kit kabelschoenen (contactor lug-kit)
• LA9G3612, spreader-kit
• LA9G3761, verzamelrails (reverser bars)
• LA9G970, mechanische vergrendeling (interlock)

Samenvatting

TeSys Giga-magneetschakelaars en -overbelastingsrelais zijn zeer veelzijdige apparaten die de robuustheid en uptime voor een groot aantal toepassingen kunnen maximaliseren. De magneetschakelaars hebben vermogens van 115 tot 900 A in 3P- en 4P-configuraties. Ze hebben SCCR’s tot 100 kA 480 V met een modulair ontwerp om onderhoud te versnellen.

De programmeerbare overbelastingsrelais hebben een breed werkstroombereik, waardoor een klein aantal apparaten kan voldoen aan de behoeften van vele toepassingen. Tot slot kan een bidirectionele bewegingsbesturing worden gerealiseerd door twee TeSys Giga-magneetschakelaars met een mechanisch vergrendelingssysteem aan elkaar te verbinden.