Elementy elektryczne układów sterowania silnikami

Świat elektrotechniki i automatyki przemysłowej zdominowały cyfrowe układy sterowania ruchem- softstarty oraz przemienniki częstotliwości. Mają one wiele zalet, m.in. wygładzenie krzywej rozruchu czy możliwość sterowania prędkością napędu. Nie zapominajmy jednak, że do ich poprawnej pracy wciąż niezbędne są podzespoły rozdziału mocy jak np. wyłączniki magnetyczne. Ponadto, układy bezpośredniego sterowania silnikami- czyli załączanie napędu bezpośrednio przez stycznik- wciąż stanowią kluczowy element w nowoczesnych systemach automatyki przemysłowej. W niniejszym artykule skupimy się na roli styczników i wyłączników silnikowych w zapewnianiu efektywnego sterowania oraz ochrony silników. Omówimy również istotne kwestie związane z doborem aparatów oraz sposobami konfiguracji. Zrozumienie tych zagadnień jest kluczowe dla zapewnienia niezawodności i efektywności układów sterowania silnikami w różnorodnych zastosowaniach przemysłowych.

Przed jakimi awariami chronią aparaty zabezpieczeniowe?

W przypadku napędów elektrycznych występują dwa główne rodzaje awarii silników: zwarcie lub przeciążenie. Obydwa zjawiska są bardzo niebezpieczne dla układów, jednak ze względu na różną ich charakterystykę, układy zabezpieczeniowe muszą uwzględniać funkcjonalności pozwalające na wykrywanie obydwu typów awarii niezależnie.
Zwarcie charakteryzuje się bardzo wysokimi prądami płynącymi przez układ, najczęściej powodowane jest uszkodzeniem izolacji obwodów, a jego skutkiem może być natychmiastowa dewastacja aparatów znajdujących się w porażonym obwodzie. Niegdyś jedynym możliwym zabezpieczeniem były wkładki bezpiecznikowe, które w reakcji na wysoki prąd przepalały się przerywając obwód. Ze względu na jednorazowość takiego zabezpieczenia, aktualnie zdecydowanie częściej stosuje się aparaty automatyczne. Należą do nich wyłączniki magnetyczne lub aparaty kombinowane i hybrydowe.
Przeciążenie silnika występuje, kiedy silnik pracuje w środowisku lub przy obecności czynników, które wykraczają poza założenia techniczne konstruktora. W takim wypadku silnik może być przeciążony, co skutkuje zwolnieniem jego obrotów lub nawet całkowitym zatrzymaniem. W każdym z tych przypadków prąd pobierany przez napęd będzie nieco większy od nominalnego. Urządzenie nie może pracować w takim stanie, ponieważ grozi to jego przegrzaniem, a w konsekwencji uszkodzeniem. Układy softstartowe oraz przemienniki częstotliwości mają wbudowane zabezpieczenie przed tego typu awariami. Dla rozruchów bezpośrednich jedyną skuteczną ochroną są zabezpieczenia termiczne w postaci przekaźników termicznych lub wspomnianych wcześniej układów kombinowanych lub hybrydowych.
.

Wyłączniki magnetyczne

Podstawowym elementem zabezpieczającym napęd przed uszkodzeniem w wyniku zwarcia jest wyłącznik magnetyczny. Jego budowa umożliwia szybkie rozłączenie torów głównych przy prądzie znacznie przekraczającym wartości znamionowe. Wyłączniki magnetyczne mogą być wyposażone w akcesoria zapewniające dodatkowe funkcje, takie jak sygnalizacja stanu awaryjnego czy możliwość zdalnego sterowania. Pamiętaj: aby zachować pełną ochronę w układzie bezpośredniego rozruchu, sam wyłącznik magnetyczny nie wystarczy; należy dobrać również zabezpieczenie termiczne!

Zabezpieczenie termiczne oraz kombinowane magnetyczno-termiczne

Podstawowym aparatem zabezpieczającym przed przeciążeniem jest przekaźnik termiczny. W bazowej konfiguracji jest on osobnym urządzeniem, które, aby zapewnić pełną ochronę zwarciowo-przeciążeniową, należy stosować razem z omawianym wcześniej zabezpieczeniem magnetycznym.

Zabezpieczenie termiczne może również być zintegrowane z wyłącznikiem magnetycznym. W takim wypadku mówimy o wyłączniku magnetyczno-termicznym, wyłączniku kombinowanym lub najczęściej: wyłączniku silnikowym. Niezależnie od konfiguracji, wbudowany układ bimetalowy powoduje rozłączenie zasilania przypadku przeciążenia, które może skutkować przegrzaniem.
W zależności od upodobań użytkownika, można stosować aparaty kombinowane (wyłączniki silnikowe) z napędem przyciskowym lub obrotowym. Obydwie wersje dostępne są w ofercie firmy Schneider Electric Polska

Styczniki, czyli jak prosto załączyć napęd?

Skoro mamy już zabezpieczony układ napędowy, powinniśmy również mieć możliwość sterowania jego pracą. Podstawowym elementem do realizacji tej funkcji jest stycznik, który po zasileniu jego cewki elektromagnetycznej, załącza mechanizm torów głównych powodując przepływ prądu.
Do prostych i niewymagających aplikacji dobrze nadają się styczniki z bazowych serii produktowych, jak np. seria Easy od Schneider Electric. Jej wyróżnikiem jest doskonały stosunek kosztu zakupu do jakości. Przystępna cena idąca w parze z żywotnością 10 milionów cykli pokrywa zapewnia tej rodzinie wysoką popularność wśród użytkowników.

Przemysłowe środowisko pracy stycznika

Bardziej wymagające aplikacje, które łączą ze sobą świat elektryczny i automatyki przemysłowej, charakteryzują się potrzebą wysokiej żywotności oraz szerokiej gamy akcesoriów i funkcji. W takim wypadku warto postawić na styczniki z serii TeSys Deca. Dzięki cewkom niskoprądowym, aparaty te doskonale współpracują ze sterownikami PLC bez potrzeby montowania przekaźników. Wbudowane styki pomocnicze NO+NC oraz dodatkowe styki w formie dopinanych modułów mają budowę lustrzaną. Dzięki temu sygnał styku zawsze reprezentuje realny stan nawet w przypadku sklejenia się torów głównych. Dzięki temu styczniki Deca mogą być używane również w aplikacjach Safety, co potwierdzają certyfikaty oraz deklaracje zgodności dla tej gamy. Żywotność na poziomie 30 milionów cykli przy 60 cyklach na minutę zapewnia wieloletnią, bezawaryjną pracę.

Aparaty monoblokowe dla bardziej zaawansowanych aplikacji

W przypadku budowania zaawansowanych wielonapędowych aplikacji, wymagania dotyczące zabezpieczeń rosną. Przy tej okazji warto jest rozważyć zastosowanie aparatów hybrydowych, które łączą w sobie możliwość sterowania z termiczny oraz zwarciowymi funkcjami zabezpieczeniowymi. Aparat hybrydowy zabudowany jest w monobloku, co pozwala na osiągnięcie tzw. pełnej koordynacji (brak obowiązku testowania i wymiany aparatu po wystąpieniu zwarcia). Wbudowana elektroniczna nastawa zabezpieczenia termicznego gwarantuje precyzję działania oraz niewrażliwość na temperaturę otoczenia. Zabudowa monoblokowa pozwala na oszczędność miejsca i czas pracy podczas układania przewodów. Schneider Electric ma w swojej ofercie rodzinę układów hybrydowych o nazwie TeSys Ultra, która oprócz funkcji klasycznego napędu, może zostać wzbogacona o akcesorium do rozruchu silników dwukierunkowych.

Styczniki IIoT- rozruch bezpośredni w dobie Industry 4.0

TeSys™ Island to innowacyjne rozwiązanie do cyfrowego, inteligentnego zarządzania obciążeniem, dostarczające danych w celu zwiększenia wydajności maszyn i instalacji i łatwości ich serwisowania. Jest to niezawodny i uniwersalny system zbudowany w oparciu o wiodący na świecie stycznik – TeSys Deca. Pozwala na detekcję awarii silnika oraz jej rodzaju (rozróżnienie m.in. blokady, przeciążenia, suchobiegu itp.). Wbudowana ochrona elektroniczna realizowana jest na podstawie ustawień cyfrowych. Wyspa stycznikowa komunikuje się ze światem automatyki za pomocą protokołów EthernetIP, ModbusTCP, Profinet lub Profibus. Rozwiązanie to obniża koszty robocizny szycia szafy (nawet 20%), koszty zakupu komponentów (redukcja modułów I/O sterownika, przekaźników, mierników energii) oraz koszty serwisu dzięki wielokrotnie szybszemu namierzaniu źródła awarii i diagnostyce stanu systemu.