Slik beskytter du dyre maskiner ved å bruke billige trefasede overvåkingsreléer

De fleste kommersielle og industrielle maskiner som er å finne i konstruksjoner relatert til klimaanlegg (HVAC), vannbehandling, materialhåndtering, verktøymaskiner, marin og luftfart drives av trefasemotorer. Disse pålitelige enhetene kan bli skadet av en rekke feiltilstander som, hvis de ikke løses raskt, kan føre til feil eller i det minste redusert driftslevetid, noe som resulterer i betydelig nedetid og høye reparasjonskostnader.

Faseovervåkingsreléer kan brukes til å detektere disse feilene, varsle operatører og stanse maskinen før det oppstår permanent skade. Disse reléene kan detektere at alle tre fasene er tilstede, har riktig sekvens og har fasespenninger som ligger innenfor riktig område. Hvis det oppstår feil, kan reléet åpne et sett med kontakter som kan utløse en alarmtilstand eller slå av maskinen.

Et bredt utvalg av fasefølende reléer er tilgjengelige, og disse kan håndtere et bredt område av spenninger, trefasekonfigurasjoner og feiltilstander. Denne artikkelen tar kort for seg potensielle motorfeilmoduser og hvordan fasefølende reléer fungerer. Den beskriver deretter utvalget og bruksområdene for trefasede overvåkingsreléer ved å bruke eksempler fra den virkelige verden fra Carlo Gavazzi.

Feilmoduser for trefasemotor

En av de vanlige feilene på tvers av en rekke bransjer, er de som er relatert til trefasestrømkilden og effekten den har på motorer. Tap av en av de tre fasene eller en ubalanse i fasespenningene kan føre til strømverdier som er høyere enn normalt i de gjenværende fasene til motoren, noe som fører til tap av mekanisk kraft og overdreven mekanisk vibrasjon. På samme måte tvinger underspenning og overspenning motoren til å øke strømmen for å drive samme last, noe som kan forkorte motorens levetid.

En annen mulighet er å ha feil fasesekvens som kan føre til at motoren går i motsatt retning, noe som kan ha katastrofale resultater på lastsiden av motoren.

Funksjoner for faseovervåkende reléer

Faseovervåkende reléer har en rekke funksjoner relatert til tilstanden til den trefasede strømkilden. De drives av de trefasede linjene de overvåker. Alle disse overvåker fasesekvensen og potensielt tap av fasespenning. Reléene aktiveres når alle fasene er tilstedeværende og strømsekvensen er riktig. I tilfelle det skulle oppstå tap av noen av fasene eller feil fasesekvens, deaktiveres reléet. Noen faseovervåkende reléer overvåker også spenningsnivåene i alle tre fasene. Spenningsfastsettelsen bruker en TRMS-måling (TRMS – true root mean square) og deaktiverer reléet når amplituden faller under en forhåndsinnstilt terskel. Noen enheter tilbyr samme amplitudedeteksjon, men har grenseinnstillinger som kan justeres av brukere. En rekke relémodeller overvåker faseasymmetri og toleranse. For å forhindre falsk aktivering, gir reléene en forsinkelse før de aktiveres på grunn av problemer relatert til spenningsnivå eller asymmetri. Forsinkelsen er programmerbar i noen modeller.

Alternativer for faseovervåkende reléer

DPA01CM44 fra Carlo Gavazzi Inc. er et eksempel på et fasefølsomt relé for konfigurasjoner med tre ledninger (figur 1). Serien drives fra den trefasede kilden, og den har tilgjengelige modeller som opererer ved spenninger på 230, 400, 600 og 690 volt vekselstrøm (VAC). Disse reléene er beregnet for montering på en DIN-skinne, men versjoner som kan plugges inn er også tilgjengelige. Reléutgangskonfigurasjonene er enten én enpolet toveiskontakt (SPDT – single-pole double-throw) eller to SPDT-kontakter.

Figur 1: DPA01CM44 er et DIN-skinnemontert faseovervåkingsrelé for trefaseledninger på 208 til 480 VAC med en SPDT-relékontaktutgang. (Bildekilde: Carlo Gavazzi Inc.)

Under normale spenningsforhold er reléet aktivert, noe som betyr at den (de) normalt åpne (NO – normaly open) kontakten(e) til reléutgangen er lukket, og den (de) normalt lukkede (NC – normally closed) utgangskontakten(e) er åpen (åpne). Reléoperasjon skjer i løpet av 100 millisekunder (ms). Statuslysdioder på frontpanelet viser strøm-på og reléaktivering.

DPA01-faseovervåkingsreléene kan installeres for å overvåke en hvilken som helst trefaset linje (eksempel 1 i figur 2), eller de kan assosieres med en trefaset motor (eksempel 2).

Figur 2: Konstruksjonseksempler for DPA01-seriens trefasede overvåkingsrelé. Eksempel 1 (venstre) viser den koblet til for å overvåke en trefaset linje. Eksempel 2 (høyre) illustrerer bruken av den under overvåking av en trefaset motor. (Bildekilde: Carlo Gavazzi Inc.)

Når en feiltilstand oppstår i en av konstruksjonene, åpnes en kontaktor som er koblet til reléet på en egnet måte den kontinuerlige trefasede kretsen, mens overvåkingsreléet forblir koblet til strømkilden. Når den er koblet til for å overvåke en trefaset linje uten noen motor, er det ikke noe problem å detektere en dødfase fordi nivået til den manglende inngangen faller betydelig. Når en skjerm er koblet til en motor, vil driften av motoren ha en tendens til å regenerere den manglende fasen takket være intern induktiv kopling. Reléet er innstilt til å detektere en manglende fase så lenge amplituden er mindre enn 85 % av den nominelle trefasespenningen. Derfor er det viktig å bekrefte at motorregenereringen er mindre enn 85 % av den nominelle linjespenningen.

I konstruksjoner som krever en egendefinert overspennings- eller underspenningsterskel, kan det flerfunksjonelle faseovervåkingsreléet DPB01CM48 fra Carlo Gavazzi brukes. Dette reléet detekterer overspennings- og underspenningsforhold, samt tapt fase og uegnet fasesekvens. Terskelnivåene for overspenning og underspenning kan justeres fra en frontpanelbryter (figur 3).

Figur 3: DPB01CM48, et flerfunksjonelt faseovervåkingsrelé, overvåker fasetap, fasesekvens og valgbare terskler for overspenning og underspenning ved hjelp av frontpanelstyringer. Driftsforsinkelse for overspennings- og underspenningsaktivering kan justeres av brukere for å minimere forbigående aktiveringer. (Bildekilde: Carlo Gavazzi Inc.)

Dette reléet er også montert på DIN-skinne og støtter både delta- og stjerne/wye-trefasetopologier. Den har brukerprogrammerbare spenningsområder som kan velges som 380, 400, 415, 480 VAC linje-til-linje-spenninger og 220, 230, 240 og 277 VAC linje-til-nøytral-spenninger. Kretstopologi og spenningsområder angis ved å bruke en intern DIP-bryter. En separat modell i DPB01-familien håndterer lavere spenningsområder.

Det er tre styringsbrytere på frontpanelet til reléet. Den øvre angir den nedre spenningsterskelen fra –2 til –22 % av den nominelle spenningen, den midterste angir den øvre spenningsterskelen fra 2 til 22 % av den nominelle spenningen og den laveste styringen brukes til å angi driftsforsinkelsen mellom 10 ms til 30 sekunder (s). Forsinkelsen brukes til å forhindre kortvarige spenningstransienter fra å utløse reléet ved et uhell.

Det er tre lysdioder på frontpanelet til reléet som viser status. En grønn lysdiode viser at strømmen er på. En gul lysdiode viser at reléet er aktivert. Hvis det er en alarmhendelse, slås den gule lysdioden av og reléet deaktiveres etter et tidsavbrudd, og den røde lysdioden vil blinke. Hvis feilen var en overspennings- eller underspenningstilstand vil den røde lysdioden med en frekvens på 2 Hertz (Hz) blinke og reléet vil kobles fra etter tidsavbruddet. Hvis en tapt fase eller feil fasesekvens oppstår, deaktiveres reléet i løpet av 200 ms og den røde lysdioden blinker med en frekvens på 5 Hz så lenge feiltilstanden er vedvarende.

Faseovervåkingsreléet DPC01DM69 har Carlo Gavazzis mest komplette funksjonssett (figur 4). Dette DIN-skinnemonterte reléet overvåker fasesekvens og fasetap, samt underspenning og overspenning, fasesymmetri og toleranse.

Figur 4: DPC01DM69 er et DIN-skinnemontert faseovervåkende relé med lysdioder på venstre kant som viser relétilstander (gul), alarmstatus (rød) og strømstatus (grønn). Styringer angir toleranse/asymmetri eller terskler for overspennings-/underspenningsterskler og reléforsinkelser. (Bildekilde: Carlo Gavazzi Inc.)

DPC01DM69 fungerer på samme måte som DPB01CM48 når det kommer til valg av driftsspenningsområde og trefasetopologi. Den har ytterligere DIP-brytervalg for strøm-på-forsinkelse (1 s eller 6 s), utgangskonfigurasjon (to sett med SPDT-kontakter eller ett enkelt sett med topolede, toveis DPDT-kontakter) og overvåkingsfunksjoner for overspenning/underspenning eller asymmetri/toleranse.

DPC01CM69 fungerer i tre forskjellige moduser, avhengig av alarmtypen. Fasetap eller feil fasesekvens resulterer i strømavbrudd på utgangsrelé 1 og 2. En hendelse med overspenning eller asymmetri fører til strømavbrudd på utgang 1-reléet etter forhåndsinnstilt forsinkelse 1, og en underspennings- eller utenfor-toleranse-hendelse fører til strømbrudd på utgang 2-reléet etter forhåndsinnstilt forsinkelse 2. Denne sammenstillingen med to utganger gir større responsfleksibilitet for ulike alarmhendelser.

Asymmetri er en indikator på strømkildekvaliteten og er definert som den absolutte verdien av det maksimale avviket til linjespenningene, dividert med den nominelle spenningen til det trefasede systemet. Toleranse er en annen indikator på strømkildekvaliteten og er definert som den absolutte verdien av det maksimale avviket til linjespenningene fra den nominelle spenningen, dividert med den nominelle spenningen til det trefasede systemet (figur 5).

Figur 5: Ligninger for asymmetri og toleranse for en trefasekilde. (Bildekilde: Carlo Gavazzi Inc.)

Generelt sett bør ubalansen i de trefasede linjene være mindre enn 2 % for å unngå overoppheting i en trefaset motor. Vær oppmerksom på at asymmetri- og toleranseskalaene på DPC01CM69 dekker områder fra 2 til 22 %.

Konklusjon

For et bredt spekter av bransjer er trefaset vekselstrømovervåking avgjørende for å unngå kostbar nedetid på grunn av skadede motorer. For å sikre at dette oppnås på en enkel og effektiv måte, tilbyr Carlo Gavazzi et bredt spekter av trefasede overvåkingsreléer som er konstruert ved å bruke de mest avanserte måleteknikkene, samtidig som de tilbyr enkelt oppsett. Reléene spenner fra enkle enheter som overvåker fasetap og fasesekvens til mer komplekse overvåkingsenheter som også registrerer overspennings- og underspenningsforhold, samt faseasymmetri og toleranse. Disse faseovervåkingsreléene gir visshet om at trefasede strømkildeproblemer ikke vil forårsake skade på dyre maskiner.