Jakich błędów unikać dobierając sterowanie do silnika?

Artykuł sponsorowany przez Schneider Electric

Każdy wie, że silnik można włączyć, wyłączyć oraz zmienić prędkość jego obrotów lub kierunek wirowania, ale dobierając elementy sterowania wiele osób popełnia podstawowe błędy.
Poniższy materiał przeznaczony jest dla elektryków zajmujących się montażem i serwisowaniem silników. Dowiesz się jakich błędów unikać dobierając elementy do sterowania i zabezpieczenia silników.
Jednocześnie osoby poszukujące kompletnej wiedzy zachęcam do zapoznania się z dwuczęściowym szkoleniem:

• Zasady sterowania i zabezpieczania silników elektrycznych – pełne szkolenie - TIM SA
• Dobór i zastosowanie przemienników częstotliwości – pełne szkolenie - TIM SA

Zacznijmy od wyjaśnienia po co w układzie sterowania silników stosujemy styczniki?

Po co jest i do czego stosujemy stycznik?

Zwróć uwagę na poniższy wykres, który pokazuje, w jaki sposób kształtuje się przebieg prądu podczas załączania silnika klatkowego.

Rysunek 1 Wykres przebiegu prądu podczas rozruchu silnika klatkowego

W uproszczeniu dla silnika klatkowego o prądzie znamionowym In 10A, w pierwszej chwili pobierany jest prąd związany z namagnesowaniem blach niezbędny do wytworzenia pola elektromagnetycznego. Prąd ten (na wykresie oznaczony Ip) może być od ośmiu do dwunastu razy większy niż prąd znamionowy. W omawianym przypadku może wynieść nawet do 120A. Gdy pole elektromagnetyczne jest już wytworzone następuje rozruch. Na tym etapie prąd (na wykresie oznaczony Id) kształtuje się na poziomie cztery do ośmiu razy większym niż znamionowy prąd pracy silnika. W omawianym przykładzie prąd Id może osiągnąć wartość do 80A i trwa przez czas kilkukrotnie dłuższy niż „szpilka rozruchowa” Ip. Dopiero po chwili prąd spada do wartości znamionowej w naszym przykładzie 10A.

Mogłoby się wydawać, że do załączania silnika o prądzie znamionowym 10A można z bezpieczną rezerwą zastosować łącznik 20A, ale jak widać na omawianym przykładzie podczas załączenia nawet niedużego silnika elektrycznego klatkowego, powstaje „szpilka” prądowa dochodząca nawet do wartości 120A. Szpilka prądowa trwa tylko ułamek sekundy, ale to wystarczy, aby uszkodzić lub skleić styki, które nie są przystosowane do dokonywania takich łączeń. Ponieważ styczniki posiadają specjalną konstrukcję styków oraz komory gaszące powstający podczas operacji łączeniowych łuk elektryczny są elementami łączeniowymi idealnie nadającymi się do wykonywania operacji związanych z załączaniem i wyłączaniem silników.

Czy to oznacza, że każdy stycznik nadaje się do zastosowania w układach sterowania silników? Zobaczmy, czym różną się popularne styczniki modułowe od styczników przemysłowych?

Czym różni się stycznik przemysłowy od stycznika modułowego?

Najczęściej popełnianym błędem jest dobór stycznika modułowego, zamiast stycznika przemysłowego, bez uwzględnienia właściwej kategorii pracy. Najczęściej mając dwa styczniki (modułowy i przemysłowy) np. 40 A instalatorzy uważają, że to jest to samo tylko w innej obudowie i różnych cenach. W rzeczywistości tak nie jest, ponieważ w styczniku modułowym podana wartość prądu np. 40 A jest wartością przy obciążeniu nieindukcyjnym, a w styczniku przemysłowym przy obciążeniu indukcyjnym. Jeśli instalator chce zastosować stycznik modułowy do silnika (obciążenie indukcyjne), należy sprawdzić w danych katalogowych odpowiednie parametry i na podstawie ich odczytać maksymalny dopuszczalny prąd obciążenia. Gdy rzetelnie porównamy parametry styczników modułowych i przemysłowych, okaże się, że styczniki o porównywalnych parametrach mają zbliżone ceny.

Przykład:

Zwróć uwagę na dwa przedstawione poniżej styczniki. Oba mają cewkę zasilaną z 230V AC, główne styki zwierne o obciążalności prądowej 40A, ale różnią się konstrukcją i ceną. Jeden stycznik jest w wersji modułowej a drugi „przemysłowej”.

W poniższej tabeli porównałem kilka parametrów dostępnych w kartach katalogowych, zobaczmy, jakie są różnice?

W skrócie. Największa różnica dotyczy spraw prawnych, a więc normy, według jakiej styczniki są testowane. Styczniki modułowe do zastosowań domowych lub podobnych testowane są według normy PN-EN 61095 - Styczniki elektromechanizmowe do zastosowań domowych i podobnych. Natomiast styczniki przemysłowe testowane są według wymagań normy PN-EN 60947 - Aparatura rozdzielcza i sterownicza niskonapięciowa -- Część 5-1: Aparaty i łączniki sterownicze -- Elektromechaniczne aparaty sterownicze. Zagadnienie to może być przez wielu instalatorów bagatelizowane, ale w razie wypadku błędnie dobrany stycznik może być powodem odmowy wypłaty odszkodowania.

Należy pamiętać, że prąd znamionowy określany w nazwie i tabliczce znamionowej dla styczników modułowych jest podawany w kategorii pracy AC-7a, natomiast dla styczników przemysłowych w kategorii AC-3 (wybrane kategorie pracy zaprezentowane są w poniższej tabeli).

Pomimo że oba styczniki mają możliwość montażu na szynie montażowej, to należy pamiętać, że stycznik w wykonaniu przemysłowym nie da się zamontować w rozdzielnicy modułowej wraz z inną aparaturą modułową (ma inne wymiary).

Nie można zapominać o akcesoriach dodatkowych. Styczniki przemysłowe umożliwiają dołożenie większej ilości akcesoriów np. styki pomocnicze w różnej konfiguracji, gasiki łuku itp.

Ponieważ kilkakrotnie wspomniałem o kategoriach AC-7a lub AC-3 warto przybliżyć to zagadnienie na przykładzie doboru stycznika do ogrzewania lub sterowania silnika.

Jak dobrać stycznik do silnika, a jak do ogrzewania?

Czy będzie taki sam, przy identycznej mocy odbiorników? Zanim odpowiem na to pytanie, proponuję, abyś przeanalizował poniższą tabelę, w której zebrałem kilka najczęściej spotykanych kategorii pracy dotyczących prądu przemiennego AC (są również kategorie dla prądu stałego DC).

* Na podstawie: https://www.schneider-electric.pl/pl/faqs/FA279430/

Wracając do zagadnienia doboru stycznika do ogrzewania (obciążenie rezystancyjne grzałkami oporowymi), należy sprawdzać prąd, jaki dany stycznik może przełączać w kategorii pracy AC-1, natomiast dobierając stycznik do sterowania silników indukcyjnych, należy sprawdzać wytrzymałość w kategorii AC-3 (rozruch, wyłączanie przy pełnej prędkości obrotowej silników indukcyjnych zwartych (klatkowych)), lub AC-4 (rozruch, impulsowanie, hamowanie przeciwprądem, rewersowanie (nawrót) silników indukcyjnych zwartych).

Bezpośrednie porównanie możliwości łączeniowych styczników modułowych i przemysłowych nie jest proste, ponieważ w stycznikach modułowych producenci podają obciążenie w kategorii AC-7B lub AC-7a natomiast w przemysłowych AC-3 lub AC-4. Na potrzeby tego artykułu nie będę dokonywał przeliczeń i porównań styczników, ponieważ najważniejsze, abyś zapamiętał, że nie ma uniwersalnych styczników, lecz należy zawsze określić rodzaj obciążenia, a następnie dobrać właściwy stycznik.

Często obraz działa lepiej niż długi tekst. Zobacz poniższe uproszczone wykresy przedstawiające przebieg prądu w czasie:

• AC-1 – włączenie i wyłączenie grzałki oporowej. W tym wypadku w momencie załączania i wyłączania wartość prądu jest taka sama.
• AC-3 – włączenie i wyłączenie wentylatora. Prąd podczas załączenia silnika (rozruch) jest wielokrotnie wyższy od prądu znamionowego, jaki jest wyłączany.
• AC-4 – włączenie i wyłączenie silnika suwnicy. Zwróć uwagę, że w tym wypadku silnik nie kończy rozruchu i prąd nie osiąga wartości znamionowej. Przy tym trybie pracy prądy załączane i wyłączane są znacznie większe od prądu znamionowego.

Rysunek 2: Przebieg prądu w czasie w stycznikach modułowych różnych kategorii

Skoro wiesz już, że nawet w przypadku załączania i wyłączania odbiorników o takim samym prądzie znamionowym stycznik może zmagać się z różną wartością prądów rozruchowych, nie powinno dziwić Cię stwierdzenie, że dla tych samych prądów znamionowych stycznik pracujący w kategorii AC-3 będzie miał inną trwałość niż stycznik pracujący w kategorii AC-4. Należy zadać pytanie: jak ustalić trwałość stycznika? Trwałość stycznika zależy od ilości cykli: włącz-wyłącz.

Jak często można załączać stycznik?

Nie będę wciąż zanudzał kategorią AC-3 i AC-4 lecz na przykładzie pokażę, że zagadnienie jest dość skomplikowane. W katalogu Schneider Electric znajdziemy wykresy na podstawie których możemy oszacować żywotność stycznika w zależności od obciążenia.

Rysunek 3:  Wykresy przedstawiające żywotność stycznika zależnie od obciążenia

UWAGA! Należy wyszukać wykresy dla interesującego Cię modelu stycznika. Schneider w katalogu zamieścił również wyjaśnienie:

Zdolność łączeniowa zestyków zgodnie z IEC 947-5-1
Zasilanie obwodów w kategorii AC-14 i AC-15. Trwałość łączeniowa (do 3600 cykli na godzinę) przy obciążeniu indukcyjnym takim jak elektromagnesu: zdolność załączeniowa (cos ϕ = 0,7) = 10 razy zdolność wyłączeniowa (cos ϕ = 0,4).
Zasilanie obwodów w kategorii DC-13. Trwałość łączeniowa (do 1200 cykli na godzinę) przy obciążeniu indukcyjnym takim jak cewka elektromagnesu, bez rezystora ekonomicznego, przy stałej czasowej rosnącej z obciążeniem.*

(*strona 139 (4/5) katalog 2001 TeSys sterowanie i zabezpieczanie silników)

Przytoczony powyżej przykład pokazuje, że nie ma uniwersalnego przelicznika, a obliczenia żywotności stycznika należy dokonywać na podstawie danych dotyczących konkretnej aplikacji (zastosowania).
Skoro wiemy już, w jaki sposób powinniśmy dobierać styczniki, to zastanówmy się, w jaki sposób należy zabezpieczać silnik przed skutkami zwarcia lub przeciążenia, a w przypadku silników trójfazowych również przed skutkami zaniku jednej fazy (asymetria).

W jaki sposób zabezpieczyć silnik?

Spotkałem się z twierdzeniem, że do zabezpieczenia silników elektrycznych można używać wyłączników nadprądowych, czyli zwykłych „esek”. Użycie wyłącznika nadprądowego do zabezpieczenia silnika trójfazowego nie jest zalecane a nieraz może być nawet poważnym błędem, ponieważ pomiędzy wyłącznikiem silnikowym a wyłącznikiem nadprądowym jest ważna różnica w budowie (nie będę omawiał tu wszystkich różnic, a wskaże tylko najważniejsze).

Wyłącznik nadprądowy jest produkowany na ustandaryzowane prądy 
(sprawdź, według jakiej normy jest wykonany: więcej na ŁNN w wątkach:

• Czy wyłącznik nadprądowy B 10A wykonany zgodnie z PN-EN 60947-2 można zamontować w domku jednorodzinnym?
• Czy wyłącznik nadprądowy B 16A wykonany zgodnie z normą PN-EN 60898-1 można zamontować w rozdzielnicy na hali produkcyjnej?)

i posiada w sobie człon przeciążeniowy oraz zwarciowy.

Wyłącznik silnikowy również posiada w sobie człon przeciążeniowy oraz człon zwarciowy, ale ma możliwość ustawienia dokładnej wartości prądu, jaki jest pobierany przez silnik oraz ma konstrukcje umożliwiającą zabudowanie go w obudowie umożliwiającej załączanie i wyłączanie zasilania przy jednoczesnej ochronie wyłącznika silnikowego przed pyłem i wodą (właściwy stopień ochrony IP). Wyłącznik silnikowy (w przeciwieństwie do najczęściej stosowanego wyłącznika nadprądowego typu B) ma również odpowiednio dobrane charakterystyki wyłączania wiec nie zachodzi obawa, aby przy rozruchu następowało nieplanowane wyzwolenie.

Wróćmy do omawianego na początku wykresu prądu rozruchu silnika klatkowego (poniższa grafika). Maksymalna wartość prądu rozruchowego Ip może osiągnąć do 12x In (prąd znamionowy), więc w wyłącznikach silnikowych wyzwalacz jest fabrycznie ustawiony na wartość 13x In. W sprzedaży można znaleźć rozwiązania na 20x In, przeznaczone do silników o ciężkim rozruchu. Natomiast w wyłącznikach nadprądowych o charakterystyce B wyzwolenie nastąpi przy 3 - 5x In co łatwo może doprowadzać do niepotrzebnych wyłączeń. Niektórzy instalatorzy decydują się na zastosowanie wyłączników nadprądowych o charakterystyce D, ale należy pamiętać, że dla tej charakterystyki podawany przedział wyzwalania wynosi 10 - 20x In) i w niektórych przypadkach ciężkiego rozruchu może być niewystarczający.

Wspomniałem o asymetrii prądów. Poważnym błędem jest stosowanie do zabezpieczenia silnika trójfazowego trzech pojedynczych wyłączników nadprądowych. W takim przypadku gdy np. zabraknie jednej fazy lub zadziała wyłącznik i jedną fazę odłączy, silnik nadal pracuje będąc zasilonym z dwóch pozostałych faz. Taka sytuacja w dłuższym odcinku czasu może doprowadzić do uszkodzenia silnika. Jeśli do zabezpieczenia użyty został wyłącznik silnikowy, wówczas brak jednej fazy powoduje, że wewnątrz wyłącznika silnikowego w różnym stopniu nagrzewają się człony przeciążeniowe dla poszczególnych faz, co doprowadza do jego wyłączenia (wyłącza zasilanie w trzech fazach).

Oczywiście dedykowany czujnik zaniku i kolejności faz zadziała dużo szybciej, ale lepiej, aby wyłącznik silnikowy zadziałał z pewną zwłoką niż wcale.

Warto wspomnieć, że do zabezpieczenia silników jednofazowych nie ma dedykowanych wyłączników silnikowych, ale wykorzystujemy standardowe rozwiązanie łącząc ze sobą szeregowo wszystkie trzy tory (patrz poniższy rysunek). Dzięki temu przepływający prąd równomiernie nagrzewa wszystkie człony przeciążeniowe, więc wyłącznik nie reaguje na niesymetryczne obciążenie i nie wyłącza zasilania.

Rysunek 4: Sposoby podłączenia wyłącznika silnikowego do zasilenia silnika 3 i 1 fazowego

Jak widzisz zagadnienie doboru, sterowania i zabezpieczenia silników nie jest tak proste, jak mogłoby się wydawać. Ponieważ w tym krótkim opracowaniu tylko poruszam kilka wybranych zagadnień, zachęcam do zapoznania się z całością zagadnienia, które zostało szczegółowo omówione w poniższych bezpłatnych szkoleniach filmowych.

• Zasady sterowania i zabezpieczania silników elektrycznych – pełne szkolenie - TIM SA
• Dobór i zastosowanie przemienników częstotliwości – pełne szkolenie - TIM SA

Na koniec warto przypomnieć:

W jaki sposób powinno wyglądać zabezpieczenie obwodu silnika?

Patrząc od strony zasilania w obwodzie powinny znaleźć się następujące elementy:

• Zabezpieczenie przeciwprzepięciowe 
• Zabezpieczenie przeciwporażeniowe np. wyłącznik różnicowoprądowy
• Zabezpieczenie nadprądowe lub wkładki topikowe (zabezpieczenie przewodów lub kabli zasilających silnik)
• Wyłącznik silnikowy
• Opcjonalnie przełącznik gwiazda trójkąt

lub

• Zabezpieczenie przeciwprzepięciowe
• Zabezpieczenie przeciwporażeniowe np. wyłącznik różnicowoprądowy
• Zabezpieczenie nadprądowe lub wkładki topikowe (zabezpieczenie przewodów lub kabli zasilających silnik)
• Zabezpieczenie termiczne
• Stycznik (lub styczniki przy pracy nawrotnej lub rozruchu gwiazda trójkąt)

lub

• Zabezpieczenie przeciwprzepięciowe
• Zabezpieczenie przeciwporażeniowe np. wyłącznik różnicowoprądowy
• Zabezpieczenie nadprądowe lub wkładki topikowe (zabezpieczenie przewodów lub kabli zasilających silnik)
• Zabezpieczenie termiczne
• Stycznik
• Sofstart

lub

• Zabezpieczenie przeciwprzepięciowe
• Zabezpieczenie przeciwporażeniowe np. wyłącznik różnicowoprądowy
• Zabezpieczenie nadprądowe lub wkładki topikowe (zabezpieczenie przewodów lub kabli zasilających silnik)
• Stycznik
• Przemiennik częstotliwości (falownik).

W tym miejscu warto wspomnieć jeszcze o wyjątkowym rozwiązaniu stworzonym przez Schneidera z myślą o zabezpieczeniu silników, czyli o TeSys U. Co to jest? TeSys U jest to układ rozruchowy do silników indukcyjnych o mocy do 18,5 kW, który zgodnie z zapisami normy IEC 60947-6-2 pozwala uzyskać koordynację całkowitą. Zagadnienie koordynacji jest omówione w przytoczonych powyżej szkoleniach, wiec na zakończenie tylko wspomnę, że koordynacja zabezpieczeń jest to optymalna kombinacja zabezpieczenia zwarciowego ze stycznikiem i zabezpieczeniem przeciążeniowym. Jej celem jest zapewnienie bezpieczeństwa obsługi i wyposażenia, niezależnie od tego, na jakim poziomie wystąpi przeciążenie lub zwarcie. Właściwie dobrana koordynacja zabezpieczeń ma zminimalizować koszty napraw, poprzez skrócenie czasu naprawy (koszty przestoju np. linii produkcyjnej) oraz zmniejszenie kosztu wymienianych części. Zgodnie z normami rozróżniamy koordynacje typu 1; typu 2 i koordynację całkowitą.