Współczesne, oparte na technologii mikroprocesorowej przekaźniki zabezpieczeniowe mają znacznie większe możliwości od standardowych zabezpieczeń silników, których budowa oparta jest na przekaźnikach elektromechanicznych. Zaawansowane funkcje wykonują obliczenia nagrzewania silnika, czasu do załączenia oraz czasu odliczania do ponownego rozruchu, a także diagnostykę w czasie rzeczywistym.
Pomimo dużych możliwości obliczeniowych zabezpieczeń mikroprocesorowych w większości dzisiejszych przekaźników funkcja zabezpieczenia silników jest realizowana poprzez pomiar prądu. Rożne modele pochodzące od różnych producentów obliczają nagrzewanie silnika metodą pojemności cieplnej lub przez rejestr termiczny, gdzie 0% oznacza całkowicie zimny, a 100% jest progiem zadziałania.
Pojemność cieplna jest obliczana na podstawie pomiaru prądu tak, że podczas rozruchu silnika zabezpieczenie jest zasadniczo funkcją kwadratu prądu pomnożonego przez czas (składnik I2t), z maksymalnym czasem rozruchu dyktowanym przez bezpieczny czas utknięcia gorącego silnika.
Granice dokładności
Gdy ten rodzaj zabezpieczenia nawiązuje do przekaźników elektromechanicznych, to model I2t nie jest najdokładniejszym zabezpieczeniem silników, a dodatkowo jeszcze ogranicza rzeczywistą dostępną moc. Stałe czasowe nagrzewanie i zmienna rezystancja silnika są kluczowe do właściwego zabezpieczenia.
Bez uwzględnienia odpowiednich poprawek dla tych właściwości silików, model I2t szacuje zbyt wysoko nagrzanie silnika, co powoduje przedwczesne wyłączenie. Jest to szczególnie widoczne w cyklicznych warunkach przeciążenia, przy wolnych rozruchach, a także przy aplikacjach z obciążeniami o dużej bezwładności.
Przeciążenia cykliczne powodują, że silnik pracuje przez pewien czas powyżej znamionowego przeciążenia, a następnie przez pewien czas poniżej obciążenia znamionowego. Jeśli całkowite nagromadzenie ciepła podczas przeciążenia jest mniejsze od ciepła rozproszonego podczas niedociążenia silnika, wtedy pojemność cieplna silnika nie jest przekroczona. Prawdziwy model cieplny obliczy stałe czasowe nagrzewania i chłodzenia oraz odpowiednio zastosuje je do warunków przeciążenia.
Schemat zabezpieczenia oparty na prądzie przeciążenia spowoduje wyłączenie silnika, ponieważ model ten przeszacowuje nagromadzenie ciepła. Nastawienie wielkości chłodzenia nie rozwiąże problemu, ponieważ jest to poprawne tylko dla jednego znanego prądu przeciążenia i okresu cyklicznego. Stosowne zabezpieczenie oparte na modelu cieplnym dokładnie wzorcuje ciepło silnika i zapewnia właściwą ochronę.
Problemy z obciążeniem
Problemy z modelem I2t powstają również podczas rozruchu silników z obciążeniami o dużej bezwładności, ponieważ czas wymagany do rozruchu może osiągnąć lub nawet przekroczyć czas wyłączenia nagrzanego silnika. Bardzo dokładne zabezpieczenie termiczne zawiera model, który oblicza poślizg silnika (prędkość) podczas rozruchu.
Przekaźnik oblicza poślizg w oparciu o pomiar prądu, napięcia, poślizgu dla pełnego obciążenia oraz znamionowego momentu obrotowego z tabliczki znamionowej. Przekaźnik wykorzystuje obliczony poślizg do oszacowania składowej zgodnej i przeciwnej rezystancji wirnika w czasie rozruchu. Rezystancja silnika zmniejsza się podczas rozruchu trzykrotnie, a nawet więcej razy. Bez kompensacji zmniejszającej się rezystancji układ I2t spowoduje wyłączenie, zanim zostaną osiągnięte rzeczywiste wartości graniczne ciepła, a tym samym ograniczy moc dostępną podczas rozruchu. Przekaźniki wykorzystujące model cieplny z algorytmem uwzględniającym poślizg potrafią automatycznie obliczyć maksymalne czasy bezpiecznego rozruchu dla każdej sekwencji rozruchu.
Obliczenie rezystancji wirnika pozwala przekaźnikowi dokładnie odzwierciedlić nagrzewanie silnika podczas rozruchu, pozwalając w ten sposób na dłuższe dopuszczalne czasy rozruchów przed wyłączeniem.
Obecnie zabezpieczenie silnika może być znacznie ulepszone za pomocą przekaźników opartych na technologii mikroprocesorowej z rzeczywistymi modelami cieplnymi, które odpowiadają za dynamiczne wielkości silnika.
Przekaźniki, które obliczają cieplne stałe czasowe i stosują schemat zabezpieczenia oparty na modelu cieplnym, mogą we właściwy sposób zabezpieczać silnik podczas cyklicznych przeciążeń bez jego wyłączania.
Model cieplny uwzględniający poślizg zabezpiecza silnik oraz pozwala na długie czasy rozruchu dużo lepiej niż tradycyjny model I2t i przekaźniki elektromechaniczne. Dokładne obliczenia, jak również śledzenie ciepła silnika przez nowoczesne przekaźniki, są wartościowymi narzędziami ulepszającymi zabezpieczenie silnika i zapewniają szerszy margines pracy.
Mark Zeller jest dyrektorem marketingu w firmie Schweitzer Engineering Laboratories Inc. Jest członkiem IEEE od 1985 roku.
Artykuł pod redakcją Marka Olszewika
Autor: Mark Zeller
