Stosowanie norm i zaleceń bezpieczeństwa w ochronie przepięciowej i przetężeniowej w aplikacjach elektrycznych gwarancją wysokiego poziomu bezpieczeństwa.
Organizacje standaryzujące na całym świecie wiele uwagi poświęcają znormalizowaniu niekorzystnych zjawisk pojawiających się w aplikacjach elektrycznych, nakładając na użytkowników liczne ograniczenia i zalecenia dotyczące konstrukcji i struktury układów elektrycznych. Według jednej z nich, amerykańskiej organizacji NEC, pojęcie przetężeń w układach elektrycznych obejmuje takie zjawiska, jak: zwarcia, doziemienia (zwarcia doziemne) oraz przeciążenia maszyn i urządzeń, powodujące pobór dużych prądów. Zalecaną ochroną w takich układach są klasyczne bezpieczniki lub wyłączniki automatyczne, zaliczane do grupy urządzeń ochrony przetężeniowej
(UOP). Do specyficznych aplikacji w tym obszarze należą jednak silniki i zespoły napędów elektrycznych, w których ochrona przed zwarciami i doziemieniami dobierana jest i realizowana zwykle w oddzieleniu od układów ochrony przeciążeniowej – w oparciu o specjalne algorytmy obliczeniowe i oddzielne urządzenia zabezpieczające.
Przy doborze parametrów urządzeń ochrony przeciwzwarciowej i przeciwdoziemieniowej oraz elementów ochrony przeciążeniowej dla silników, zespołów napędowych czy obsługujących je sterowników niezbędne jest właściwe zrozumienie i postępowanie według podawanych przez normy bezpieczeństwa przepisów i zaleceń, gwarantujących pewność zadziałania i wysoką niezawodność funkcjonowania elementów ochronnych, uniknięcie nieprzewidzianych sytuacji problematycznych oraz zachowanie najwyższych standardów bezpieczeństwa w układach elektrycznych. Kolejnym niezbędnym elementem są zebrane dane, opisujące stany pracy prawidłowo funkcjonujących urządzeń elektrycznych, wykorzystywane przy obliczeniach parametrów zabezpieczeń, zgodnych z zaleceniami norm. W niniejszym tekście podano ogólne informacje dotyczące układów napędowych prądu przemiennego, jedno i trójfazowych. Trzeba jednak pamiętać, że niektóre aplikacje napędowe mogą charakteryzować się pewnymi szczególnymi parametrami lub specjalną konstrukcją, dlatego też konieczne jest każdorazowe dogłębne zapoznanie się z warunkami funkcjonowania konkretnych napędów, a wszelkie obliczenia i dobór zabezpieczeń powinien być realizowany przez doświadczoną osobę tak, aby zapewnić ich wysoką niezawodność i pewność.
Chrońmy nasze napędy
Przede wszystkim wyjaśnić należy, czym są układy ochrony przed zwarciami, doziemieniami i przeciążeniami, oraz przedstawić ich różnorodne funkcje i zadania.
Elementy zabezpieczeń zwarciowych i doziemieniowych chronią silniki i ich układy sterujące przed pojawieniem się zbyt dużych prądów, na skutek możliwych w układzie elektrycznym zwarć i tzw. zwarć doziemnych. Pierwsze z nich następują między elementami przewodzącymi, między fazami zasilania lub między fazą a przewodem neutralnym. Zwarcia doziemne z kolei pojawiają się między fazą a uziemieniem. Dobierając parametry zabezpieczeń pamiętać należy, że muszą one w warunkach normalnej pracy napędów przenieść prądy odpowiadające ich pełnemu obciążeniu oraz dość duże (niejednokrotnie większe od znamionowych) prądy rozruchu i pojawiające się w sieciach udary prądowe, nie ulegając wyłączeniu.
Urządzenia ochrony przetężeniowej UOP to zwykle układy bezpieczników z i bez opóźnień czasowych, wyłączniki natychmiastowe lub wyłączniki o zwłoce czasowej zależnej. Elementy ochrony przeciwzwarciowej i przeciw zwarciom doziemnym mają za zadanie przede wszystkim ochronę przewodów zasilających, silników i innych urządzeń elektrycznych, przed towarzyszącymi im wysokimi prądami udarowymi, które mogą je uszkodzić lub zniszczyć, przepalić, a nawet wywołać pożar. Bezpieczniki przetężeniowe, nadmiarowo prądowe, ochraniają silniki, sterowniki silników i ich oprzewodowanie przed nagrzewaniem się na skutek nadmiernego przeciążenia silników lub zespołów napędowych, niewłaściwie prowadzonych rozruchów maszyn, spadku napięcia zasilającego, czy też możliwych tzw. utknięć silników na skutek przeciążenia itp.
Przeciążenie silnika następuje wówczas, gdy pracuje on przy prądzie przewyższającym wartość znamionową podaną na tabliczce urządzenia. Jeżeli sytuacja taka trwa przez dłuższy czas, może doprowadzić do przegrzania się obwodów, zwojów, a nawet uszkodzenia maszyny czy pożaru.
Dobór właściwych zabezpieczeń dla silników
Pierwszy krok to właściwy dobór parametrów elementów ochrony przeciwzwarciowej i przeciw zwarciom doziemnym. Przebiegać powinien następująco:
- ustalenie tzw. ciągłego prądu obciążenia (FLC) na podstawie tabliczki znamionowej i odpowiednich tabel norm bezpieczeństwa,
- określenie maksymalnych nastaw parametrów dla urządzeń ochrony przetężeniowej UOP na podstawie tabel norm, wraz z uwzględnieniem ewentualnych wyjątków dla konkretnych aplikacji,
- ustalenie wartości prądów silnika przy rozruchu z danym obciążeniem oraz w wypadku blokady wirnika,
- sprawdzenie, czy maksymalne parametry UOP gwarantują przeniesienie prądów rozruchowych,
- sprawdzenie, czy bezpieczniki i wyłączniki automatyczne o mniejszych parametrach zapewnią przeniesienie prądów obciążenia ciągłego i rozruchu.
Normy bezpieczeństwa w zakresie doboru zabezpieczeń silników wskazują w odpowiednich tabelach wartości dopuszczalnych prądów obciążenia ciągłego przy określonych parametrach zabezpieczeń. Wartości te można znaleźć we wspomnianych wcześniej tabelach, znając moc napędu i jego napięcie podane każdorazowo na tabliczkach znamionowych. Nie zaleca się w tym przypadku korzystania z wartości prądu znamionowego silnika przy pełnym obciążeniu, umieszczanej również na tabliczkach znamionowych silników. Jeżeli w tabeli normy nie ma pozycji dokładnie dla takiej mocy silnika, należy skorzystać z przybliżenia w dół. Jeżeli dany silnik ma na swej tabliczce znamionowej podaną moc i prąd ciągłego obciążenia FLC, wówczas należy korzystać bezpośrednio z tych wartości.
Kolejny krok to określenie maksymalnych nastaw i parametrów dla urządzeń ochrony przetężeniowej UOP, poprzez pomnożenie wartości prądu ciągłego obciążenia przez odpowiedni współczynnik, również podawany w tabelach norm bezpieczeństwa. Dla zapewnienia maksymalnej ochrony silników dobrane parametry ochrony powinny być jak najmniejsze, tak jednak, by zachować możliwość przepuszczenia prądów rozruchowych i dla pracy ciągłej. By zagwarantować bezpieczne uruchomienie silnika, instalowane bezpieczniki bez zwłoki czasowej powinny przenieść prąd o wartości 5-krotnie większej przez dwie sekundy; z opóźnieniem prąd 5-krotnie większy przez 10 sekund; wyłączniki natychmiastowe zależnie od odpowiednich nastaw prądy 3-, 5-, 7- i 10-krotne, a wyłączniki o zwłoce czasowej zależnej prądy 3-krotnie większe, przez czas zależny od nastawy.
Kolejny etap to ustalenie wartości prądu rozruchowego silnika, niezbędne dla prawidłowego doboru parametrów pracy urządzeń ochronnych. Wartość ta może być określona na podstawie specjalnego kodu podawanego na tabliczce znamionowej silników, przeliczonego przez odpowiednie wskaźniki z tabel norm bezpieczeństwa. Kod ten wskazuje bezpośrednio wartość kVA na jednostkę mocy, uwzględniając charakterystyczną dla konkretnego silnika budowę klatki wirnika. Nie należy mylić go z podawanym również na tabliczce znamionowej kodem NEMA. Ponieważ w tabelach norm wartości prądów rozruchowych podawane są w postaci przedziałów od do, w obliczeniach należy wybrać największą wartość prądu rozruchowego z danego zakresu, by otrzymać największy możliwy prąd rozruchu dla danego silnika. Należy dodatkowo sprawdzić, czy obliczony prąd rozruchu jest mniejszy od wartości prądu, jaką urządzenia ochronne mają przenosić w krótkim czasie; dzięki temu silnik nie powinien ulec odłączeniu w czasie rozruchu i występujących przy nim znacznych udarów prądu.
Cóż jednak, jeśli prąd rozruchowy spowoduje zadziałanie zabezpieczeń i wyłączenie silnika? W takim przypadku należy przeliczyć wartość prądu jeszcze raz, korzystając tym razem z większego współczynnika i biorąc z tabeli norm mniejszą o jeden rząd wartość prądu rozruchowego.
Dobór parametrów ochrony przeciążeniowej silników
W tej części artykułu omówione zostaną zasady doboru zabezpieczeń przeciążeniowych silników, stanowiących dla nich swego rodzaju „ochronę termiczną”. Urządzenia ochronne tej kategorii budowane są w oparciu o kilka rodzajów detektorów:
- ze stopów topliwych,
- z bimetali,
- z elementów półprzewodnikowych,
- z materiałów magnetycznych.
Silniki o mocach powyżej 1 kW wykorzystywane w pracy ciągłej oraz silniki poniżej 1 kW uruchamiane i sterowane automatycznie muszą być wyposażone w elementy ochrony przeciążeniowej. Normy nakazują, że maksymalny prąd silnika w stanie pełnego obciążenia powinien być zawsze podany na jego tabliczce znamionowej i nie może być obliczany przez technologów na podstawie jakichkolwiek innych parametrów, tabel czy norm, podobnie jak to miało miejsce w omawianym już doborze zabezpieczeń zwarciowych. Parametry elementów ochrony przeciążeniowej w specjalnych silnikach ze współczynnikiem zużywania się maszyny na poziomie 1,15 lub większym dobierane są jako 125% wartości znamionowego prądu silnika przy pełnym obciążeniu (z tabliczki znamionowej). We wszystkich innych przypadkach wymiaruje się je na poziomie 115% znamionowego prądu obciążenia. Jeżeli tak obliczone parametry elementów ochrony przeciążeniowej nie są wystarczające dla prawidłowego rozruchu maszyny lub pracy z obciążeniem mechanicznym, dopuszcza się zwiększenie poziomu parametrów zabezpieczenia do wartości 140% prądu znamionowego (dla silników specjalnych) oraz do wartości 130% dla innych typów silników.
Ochrona przeciążeniowa silników nie jest konieczna wszędzie tam, gdzie mogłaby powodować dodatkowe zagrożenie, jak np. w aplikacjach pomp pożarniczych itp. Liczba maszyn pracujących w stanie przeciążenia nie może być większa niż podana w odpowiednich normach bezpieczeństwa; zwykle dopuszcza się instalację jednej przeciążonej maszyny na jednej nieuziemionej podstawie.
Pamiętać należy o każdorazowej weryfikacji zgodności zasad montażu i doboru elementów ochronnych maszyn w aplikacjach przemysłowych, z przepisami i odpowiednimi normami bezpieczeństwa. Szczególną uwagę zwrócić należy na dokładne specyfikacje środowiska oraz indywidualnych czynników, charakterystycznych dla niektórych aplikacji maszynowych i uwzględnić je w prowadzonych obliczeniach.
Artykuł pod redakcją Andrzeja Ożadowicza
Autor: Bob Lang
