Grunnleggende om motorvernebrytere og bruken av disse

Bruksområder som oppvarming, ventilasjons- og klimaanlegg (HVAC), kompressorer, pumper, materialhåndtering og emballasje, krever sikker distribusjon og styring av store motorer som er virksomme ved høye spennings- og strømverdier. Styring av disse store elektriske motorene utgjør et problem for konstruktører, fordi de må gi tilstrekkelig isolasjon mellom motoren og styringskretsen. I tillegg kan de høye spennings- og strømverdiene generere betydelige elektromagnetiske transienter som kan skade elektroniske styringer.

Elektromagnetiske reléer tilbyr fjernstyring med isolasjon, men de har noen begrensninger. Åpning og lukking av strømtilkoblingene til en høyeffekts motor genererer elektriske buer som kan slite ut relékontaktflatene, noe som reduserer kontaktens levetid.

Løsningen på dette problemet er en elektromagnetisk vernebryter (kontaktor), en spesiell klasse av reléer beregnet for motorstyring. I tillegg til en mer robust konstruksjon og større, mer robuste kontakter enn reléer, bruker de lysbuedempende teknikker som inkluderer spesielle materialer og raskere kontaktlukking og -åpning.

Denne artikkelen ser nærmere på det grunnleggende om elektromagnetiske motorvernebrytere og fordelene disse har sammenlignet med andre tilnærminger til motorstyring. Den tar deretter for seg hvordan de velges og brukes, ved hjelp av faktiske konfigurasjonseksempler fra Schneider Electric Easy TeSys-familien.

Slik fungerer vernebrytere

Elektromagnetiske vernebrytere består av en elektromagnet bygget på en «E»-kjerne. Nærmere bestemt, er en elektrisk isolert spole viklet konsentrisk rundt kjernens senterpinne. Spolen magnetiseres av den styrende spenningskilden, som kan være enten vekselstrøm (AC) eller likestrøm (DC). Når spolen er strømsatt, trekker den elektromagnetiske kraften i en rotor som er plassert i kjernens åpne ende (figur 1).

Figur 1: Et forenklet funksjonsdiagram for en vernebryter som viser den i både den ikke-strømsatte og strømsatte tilstanden. (Bildekilde: Art Pini)

Elektriske kontakter er mekanisk koblet til rotoren. Kontaktsammenstillingen varierer i henhold til vernebrytermodell: De kan være «normalt åpen» (NO) eller en kombinasjon av «normalt åpen» og «normalt lukket» (NC). Det kan være flere isolerte kontakter. For eksempel vil en 3-faset vernebryter ha tre sett med strømkontakter, en for hver fase. Når armaturen trekker inn, vil NC-kontaktene åpnes og NO-kontaktene lukkes. I tillegg inkluderer mange vernebrytere et hjelpesett med lavere strømkontakter som brukes til å overvåke tilstanden til vernebryteren, i strømsatt eller ikke-strømsatt tilstand.

Kontaktmaterialer velges i henhold til høy styrke, utmerket elektrisk konduksjonsevne og motstandsdyktighet mot virkningene av lysbuer og oksidasjon. Kontaktgeometrien er konstruert for å håndtere de planlagte effektnivåene og for å undertrykke lysbuer.

Alle elementene i vernebryteren rommes i en kapsling, som elektrisk isolerer kontaktene samtidig som det gir en enkel måte for tilkobling av strøm, last og spolekabling. Innkapslingen gir også monteringsstøtte, som kan være i form av panel- eller DIN-skinnemontering (figur 2).

Figur 2: Eksempler på vanlige vernebryterkapslinger; panelfeste (venstre) og DIN-skinnefeste (høyre). (Bildekilde: Schneider Electric)

Schneider Electric Easy TeSys-vernebrytere (DPE-serien) rommes i en kompakt kapsling som bare er 45 millimeter (mm) bred og kan monteres på et panel eller en DIN-skinne. Kapslinger har en inntrengningsbeskyttelse på IP20, noe som betyr at de har beskyttelse for fingre. Alle vernebryter i serien inkluderer en normalt åpen hjelpekontakt. Denne serien med trefasede vernebrytere er UL/CSA-godkjent med klassifiseringer for opptil 32 ampere, 20 hestekrefter ved 480 volt vekselstrøm (HP/480 VAC) og 25 hk/600 VAC, med en rekke magnetiseringsspenninger for styringsspoler (tabell 1).

Tabell 1: Utvalgte eksempler fra Schneider Electric Easy TeSys DPE-vernebryterserien viser området for driftsmessig strøm og styringsspolespenning som linjen gir. (Tabellkilde: Art Pini)

Disse enhetene tilbyr en levetid på omtrent 1 million elektriske handlinger. Easy TeSys-vernebrytere er egnet for bruksområder som er beskrevet i brukskategoriene spesifisert i IEC 60947-standarden. De aktuelle klassifiseringene til de enkelte vernebryterne avhenger av brukskategorien. For eksempel beskriver AC-1-kategorien bruksområder der lasten er ikke-induktiv eller bare svakt induktiv, for eksempel en motstandsbasert ovn. Disse bruksområdene har hovedsakelig resistive belastninger, som har mindre problem med transientspenninger og -strømmer.

Kategorien AC-3 dekker bruksområder for kortslutningsmotorer der motoren startes, og strømmen kan fjernes for å til tider stoppe motoren. Motorer er induktive enheter, og start- og stopphandlinger resulterer i induktive transienter som bidrar til større belastning på vernebryteren.

Bruksområder i AC-4-kategorien gir større belastning på vernebryteren. Denne kategorien dekker kortslutningsmotorer og motorer av sleperingstypen som er utsatt for strøm i sperreretningen og rykkvis drift (jogging) eller millimetervis bevegelse (inching). Rykkvis drift eller millimetervis bevegelse er «den raske gjentatte bruken av strøm for å starte en motor fra hvile for å oppnå små bevegelser av motoren». Rykkvis drift refererer som regel til at en motor startes med korte strømpulser ved full spenning. På samme måte betyr millimetervis bevegelse at en motor startes med korte pulser med redusert spenning. De mange konstruksjonene med strøm genererer det høyeste nivået av stress på vernebryteren.

Samsvaring av en bestemt Easy TeSys DPE-vernebryter til en motor eller lignende konstruksjon med høy effekt, er hovedsakelig basert på strømmen som håndteres. Schneider Electric Easy TeSys-katalogen inneholder hjelpemidler basert på motoreffekt, brukskategori og påkrevd driftslevetid (Figur 3).

Figur 3: Easy TeSys DPE-velgerguide for motorer i AC-3-brukskategorien basert på motoreffekt og ønsket driftslevetid for vernebryteren. (Bildekilde: Schneider Electric)

Figur 3 er en av tre velgerguider relatert til brukskategorien til enheten som skal styres. Dette er for brukskategori AC-3, i utgangspunktet en motor som kan stoppes med liten hyppighet. Når motoren er stoppet, er strømmen lik driftsstrømmen. Som et eksempel, se for deg at du skal finne en Easy TeSys DPE-vernebryter for en 5,5 kilowatt (kW), 3-faset motor som kjører med 400 volt og en driftsstrøm på 11 A, der ønsket driftslevetid er to millioner sykluser. Ved å starte på linjen med en spenning på 400 volt, må konstruktøren finne 5,5 kW, og derfra projisere en linje oppover helt til den krysser to millioner handlinger på linjen. Nærmeste DPE-modellposisjonskurve (i blått) er DPE 18.

Et eksempel på en AC-4-brukskategori, der motoren stoppes og startes ofte, håndterer større kritiske strømmer. Se for deg en 3-faset, 5,5 kW-motor som kjører med 400 volt og en driftsstrøm på 11 A, i en AC-4-brukskategori der den er spenningsløs mens motoren er stoppet. Ønsket driftslevetid er 300 000 handlinger.

Strømmen ved stans for denne motoren er seks ganger driftsstrømmen, noe som krever en vernebryter som er klassifisert for et høyere strømnivå (Figur 4).

Figur 4: Easy TeSys DPE-velgerguide for AC-4-brukskategorien. Vær oppmerksom på at de kritiske strømverdiene kan være mye større fordi det er mulig at strømmen fjernes fra motoren mens den er stoppet. (Bildekilde: Schneider Electric)

For å finne den anbefalte vernebryteren, start med strømmen ved stans på 66 A, som er seks ganger driftsstrømmen på 11 A. Strekker seg oppover fra strømaksen helt til den krysser linjen som representerer 0,3 millioner handlinger. Nærmeste produktposisjonskurve er DPE32.

Vernebrytere i Easy TeSys DPE-serien dekker de vanligste motorkonfigurasjonene og bruksområdene, slik som transportører, pakkemaskiner, pumper, kompressorer, oppvarming og ventilasjon, klimaanlegg, kjøling med mer.

Easy TeSys-familien inkluderer også en serie komplementære reléer for varmeoverbelastning, som er konstruert for å beskytte vekselstrømkretser og motorer mot tilstander med overbelastning, fasefeil, utvidede starttider og stanset rotor. Disse reléene overvåker motorstrømmen, og når strømmen overskrider strømgrenseinnstillingen, åpnes kontaktene og motoren stopper. Det er femten forskjellige modeller, og hver av disse har en rekke innstillbare nivåer for strømutløsning. Modellene med overbelastningsvern er kompatible med utvalgte Easy TeSys-vernebrytere, DPE09 til DPE38. De kobles direkte til de nedre klemmene på de trefasede vernebryterne ved hjelp av vernebryterens skruklemmeterminaler. Kombinasjonen har en vanlig bredde på 45 mm og kan monteres på DIN-skinne eller skrus fast til et panel ved hjelp av DPE-vernebryterfestet (Figur 5).

Figur 5: Reléet for overbelastningsvernet monteres direkte under DPE-vernebryteren og festes ved hjelp av vernebryterens skruklemmetilkoblinger. (Bildekilde: Schneider Electric)

Easy TeSys sitt termiske overbelastningsrelé DPER32, som er klassifisert til 32 A/690 volt, har et justerbart varmeutløsningsområde på 23–32 A, utløsningsklasse 10 (der en overbelastning på seks ganger det forhåndsinnstilte nivået vil utløse overbelastningsvernet innen 10 sekunder), for beskyttelse av trefasede motorer klassifisert til 15 kW@400 volt. Det er en differensialenhet med detektering av fasefeil og lastubalanse. Den har en termisk justeringsskive, manuell/automatisk nullstillingsvelger, testvelger for simulering av utløsning, nullstillings- og stoppknapper, flaggviserinnretning og to hjelpekontakter (1 NO + 1 NC) for feilsignalering. Brukerinnstillingene er beskyttet av et låsbart gjennomsiktig deksel. Hele familien med termiske overbelastningsvern er sertifisert i henhold til flere standarder, deriblant IEC, UL og CUL.

Konklusjon

Konstruktører av motorkonstruksjoner med høye driftsspenninger og -strømmer trenger en pålitelig måte å isolere tilknyttede styringskretser på og beskytte dem mot elektromagnetisk stråling. Easy TeSys sine trepolede DPE-vernebrytere, kombinert med DPER Easy TeSys termiske overbelastningsreléer, er konstruert for å veksle og beskytte de vanligste brukstilfellene for motorer. Det brede utvalget av modeller som dekker flere strøm- og spenningsnivåer, gjør det enkelt å konfigurere dem i henhold til kravene til en bestemt konstruksjon.