Hoe dure machines kunnen worden beschermd met goedkope driefasige bewakingsrelais

De meeste commerciële en industriële machines voor verwarming, ventilatie en airconditioning (HVAC), waterbehandeling, materiaalbehandeling, machinebewerking, scheepvaart en luchtvaart worden aangedreven door draaistroommotoren. Deze betrouwbare apparatuur kan worden beschadigd door omstandigheden die, als ze niet snel worden verholpen, kunnen leiden tot stilstand of in ieder geval een verkorte levensduur, met aanzienlijke uitvaltijden en reparatiekosten als gevolg.

Fasebewakingsrelais kunnen worden gebruikt om deze fouten op te sporen, de operator te waarschuwen en de machine te stoppen voordat er blijvende schade wordt aangericht. Deze relais kunnen detecteren of alle drie fasen aanwezig zijn en de juiste volgorde hebben en of de fasespanningen binnen een correct bereik liggen. Als zich een fout voordoet, kan het relais een reeks contacten openen waardoor een alarm wordt geactiveerd of de machine wordt uitgeschakeld.

Er is een grote verscheidenheid aan fasedetectierelais beschikbaar voor diverse spanningen, driefasige configuraties en foutcondities. In dit artikel wordt eerst kort ingegaan op de mogelijke motorstoringen waarna wordt uitgelegd hoe een fasedetectierelais werkt. Vervolgens wordt aan de hand van praktijkvoorbeelden van Carlo Gavazzi de selectie en toepassing van driefasige bewakingsrelais beschreven.

Storingen in driefasenmotoren

Veel storingen in een groot aantal industrieën houden verband met de driefasige stroombron en het effect daarvan op motoren. Verlies van één van de drie fasen of onbalans in de fasespanningen kan leiden tot een hogere stroom in de overige fasen naar de motor, met verlies van mechanisch vermogen en grote mechanische trillingen tot gevolg. In geval van onderspanning en overspanning wordt de motor gedwongen de stroom te verhogen om dezelfde belasting aan te drijven, wat de levensduur van de motor kan verkorten.

Een ander probleem is een onjuiste fasevolgorde waardoor de motor van richting kan veranderen. Dit kan rampzalige gevolgen hebben aan de belastingzijde van de motor.

Functies van een fasebewakingsrelais

Fasebewakingsrelais hebben een reeks functies met betrekking tot de toestand van de driefasige stroombron. Ze worden gevoed door de driefaseleidingen die ze bewaken. Ze bewaken de fasevolgorde en het verlies van fasespanning. De relais worden geactiveerd wanneer alle fasen aanwezig zijn en de fasevolgorde correct is. Bij uitval van een van de fasen of een onjuiste fasevolgorde wordt het relais spanningsloos gemaakt. Sommige fasebewakingsrelais bewaken ook de spanningsniveaus van de drie fasen. De spanningsbepaling maakt gebruik van een TRMS-meting (true root mean square) en schakelt het relais uit wanneer de amplitude onder een vooraf ingestelde drempelwaarde daalt. Er zijn ook apparaten met dezelfde amplitudedetectie, maar met door de gebruiker instelbare limietinstellingen. Een reeks relaismodellen bewaakt de fase-asymmetrie en de tolerantie. Alle relais hebben een vertraging voordat ze als gevolg van spanningsniveau- of asymmetrieproblemen in werking treden om ongewenste activering te voorkomen. Bij sommige modellen is de vertraging programmeerbaar.

Opties voor fasebewakingsrelais

De DPA01CM44 van Carlo Gavazzi Inc. is een voorbeeld van een fasegevoelig relais voor drie-aderige configuraties (Afbeelding 1). De serie wordt gevoed vanuit een driefasige stroombron, met modellen die werken bij 230, 400, 600 en 690 volt AC (VAC). Deze relais zijn bedoeld voor montage op een DIN-rail, maar er zijn ook insteekversies verkrijgbaar. De relaisuitgangsconfiguraties zijn een enkelpolig tweestandencontact (SPDT) of dubbele SPDT-contacten.

Afbeelding 1: De DPA01CM44 is een op een DIN-rail gemonteerd fasebewakingsrelais voor 208 tot 480 VAC driefaseleidingen met een SPDT relaiscontactuitgang. (Bron afbeelding: Carlo Gavazzi Inc.)

Onder normale spanningsomstandigheden is het relais geactiveerd, wat betekent dat de normaal open (NO) contacten van de relaisuitgang gesloten zijn en de normaal gesloten (NC) uitgangscontacten open zijn. Het relais werkt binnen 100 milliseconden (ms). Status-leds op het voorpaneel geven aan dat de stroom is ingeschakeld en dat het relais is geactiveerd.

Het fasebewakingsrelais DPA01 kan worden geïnstalleerd om een driefaseleiding te bewaken (voorbeeld 1 in afbeelding 2) of kan worden gekoppeld aan een driefasenmotor (voorbeeld 2).

Afbeelding 2: Toepassingsvoorbeelden voor het driefasige bewakingsrelais in de DPA01-serie. Voorbeeld 1 (links) toont de aansluiting voor de bewaking van een driefaseleiding. Voorbeeld 2 (rechts) illustreert het gebruik voor de bewaking van een driefasenmotor. (Bron afbeelding: Carlo Gavazzi Inc.)

Wanneer zich in een van beide toepassingen een foutconditie voordoet, opent een op het relais aangesloten contactor de doorgaande driefasige stroomkring, terwijl het bewakingsrelais met de stroombron verbonden blijft. Als het relais is aangesloten om een driefaseleiding zonder motor te bewaken, is er geen probleem met het detecteren van een dode fase omdat het niveau van de ontbrekende ingang aanzienlijk daalt. Als een bewakingsrelais op een motor wordt aangesloten, zal de motor de neiging hebben de ontbrekende fase te regenereren als gevolg van interne inductieve koppeling. Het relais is ingesteld om een ontbrekende fase te detecteren zolang de amplitude minder bedraagt dan 85% van de nominale driefasespanning. Daarom is het belangrijk te verifiëren dat de motorregeneratie minder dan 85% van de nominale lijnspanning bedraagt.

In toepassingen die een aangepaste overspannings- of onderspanningsdrempel vereisen, kan het multifunctionele fasebewakingsrelais DPB01CM48 van Carlo Gavazzi worden gebruikt. Dit relais detecteert overspannings- en onderspanningscondities, alsmede faseverlies en een onjuiste fasevolgorde. De drempelniveaus voor overspanning en onderspanning kunnen door de gebruiker worden ingesteld via een schakelaar op het voorpaneel (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Het multifunctionele fasebewakingsrelais DPB01CM48 bewaakt faseverlies, fasevolgorde en instelbare drempels voor overspanning en onderspanning met behulp van bedieningselementen op het frontpaneel. De operationele vertraging voor de overspannings- en onderspanningsactivering kan door de gebruiker worden ingesteld om transiënte activering te minimaliseren. (Bron afbeelding: Carlo Gavazzi Inc.)

Dit relais is ook geschikt voor DIN-railmontage en ondersteunt zowel delta- als ster/golf-driefasetopologieën. De door de gebruiker programmeerbare spanningsbereiken zijn 380, 400, 415, 480 VAC tussen de leidingen en 220, 230, 240, en 277 VAC tussen de leiding en nul. De topologie van het circuit en de spanningsbereiken worden ingesteld met een interne dipswitch. De DPB01-serie heeft een apart model dat geschikt is voor lagere spanningsbereiken.

Het voorpaneel van het relais bevat drie regelknoppen. De bovenste knop stelt de onderspanningsdrempel in op -2 tot -22% van de nominale spanning, de middelste stelt de overspanningsdrempel in op 2 tot 22% van de nominale spanning en de onderste knop wordt gebruikt om de operationele vertraging in te stellen op een waarde tussen 10 ms en 30 seconden (s). De vertraging wordt gebruikt om te voorkomen dat kortstondige spanningstransiënten het relais per ongeluk uitschakelen.

Er bevinden zich drie leds op het voorpaneel van het relais om de status aan te geven. Een groene led geeft aan dat de stroom is ingeschakeld. Een gele led geeft aan dat het relais bekrachtigd is. Als er een alarmtoestand is, gaat de gele led uit en wordt het relais na een time-out spanningsloos gemaakt waarna de rode led gaat knipperen. Als de fout een overspannings- of onderspanningsconditie was, knippert de rode led met een frequentie van 2 hertz (Hz) en wordt het relais na de time-out spanningsloos gemaakt. Bij faseverlies of een onjuiste fasevolgorde wordt het relais binnen 200 ms spanningsloos gemaakt en knippert de rode led met een frequentie van 5 Hz voor de duur van de foutconditie.

Het fasebewakingsrelais DPC01DM69 van Carlo Gavazzi heeft de meest complete set functies (Afbeelding 4). Dit relais is geschikt voor DIN-railmontage en controleert op fasevolgorde en faseverlies, evenals onderspanning en overspanning, fasesymmetrie en tolerantie.

Afbeelding 4: De DPC01DM69 is een fasebewakingsrelais voor DIN-railmontage met leds aan de linkerkant die de relaisstatus (geel), alarmstatus (rood) en voedingsstatus (groen) aangeven. De regelknoppen dienen om de tolerantie/asymmetrie of overspannings-/onderspanningsdrempels en relaisvertragingen in te stellen. (Bron afbeelding: Carlo Gavazzi Inc.)

De werking van de DPC01DM69 is vergelijkbaar met die van de DPB01CM48 wat betreft de keuze van het spanningsbereik en de driefasige topologie. Het relais heeft extra dipschakelaarkeuzes voor inschakelvertraging (1 s of 6 s), uitgangsconfiguratie (dubbele set SPDT-contacten of een enkele set DPDT-contacten (double-pole, double-throw)) en bewakingsfuncties voor overspanning/onderspanning of asymmetrie/tolerantie.

De DPC01CM69 werkt in drie verschillende modi, afhankelijk van het alarmtype. Bij faseverlies of een onjuiste fasevolgorde worden uitgangsrelais 1 en 2 spanningsloos gemaakt. Bij een overspanning of asymmetrie wordt het relais van uitgang 1 aan het eind van de ingestelde vertraging 1 spanningsloos. Bij een onderspanning of als de tolerantie wordt overschreden, wordt het relais van uitgang 2 aan het eind van de ingestelde vertraging 2 spanningsloos. Deze dubbele uitgang biedt een grotere flexibiliteit bij het reageren op verschillende alarmsituaties.

Asymmetrie is een indicator van de kwaliteit van de stroombron en wordt gedefinieerd als de absolute waarde van de maximale afwijking van de lijnspanningen, gedeeld door de nominale spanning van het driefasensysteem. Tolerantie is een andere indicator van de kwaliteit van de stroombron en wordt gedefinieerd als de absolute waarde van de maximale afwijking van de lijnspanningen t.o.v. de nominale spanning, gedeeld door de nominale spanning van het driefasensysteem (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Vergelijkingen voor asymmetrie en tolerantie van een driefasige stroombron. (Bron afbeelding: Carlo Gavazzi Inc.)

Over het algemeen moet de onbalans van de driefaseleidingen minder zijn dan 2% om oververhitting van een driefasenmotor te voorkomen. Merk op dat de asymmetrie- en tolerantieschalen op de DPC01CM69 variëren van 2 tot 22%.

Conclusie

In een groot aantal industrieën is driefasige wisselspanningsbewaking van cruciaal belang om kostbare stilstand door beschadigde motoren te voorkomen. Om te zorgen dat dit gemakkelijk en doeltreffend kan gebeuren, biedt Carlo Gavazzi een breed assortiment driefasige bewakingsrelais die ontworpen zijn volgens de meest geavanceerde meettechnieken en eenvoudig kunnen worden ingesteld. De relais variëren van een eenvoudige uitvoering om faseverlies en fasevolgorde te bewaken tot een meer complexe uitvoering die tevens overspannings- en onderspanningscondities en fase-asymmetrie en tolerantie detecteert. Deze fasebewakingsrelais bieden de zekerheid dat driefasige stroombronproblemen geen schade aan dure machines veroorzaken.