כיצד בקרי מנוע חכמים יכולים למקסם עמידות וזמן פעולה תקינה

יש צורך בבקרי מנוע חכמים שיכולים למקסם את העמידות ואת זמן הפעולה התקינה של מכונות Industry 4.0 מהדור הבא בתחומי ייצור, עיבוד מתכות וחומרים בסיסיים, מיצוי וכריית מינרלים, ותשתיות קריטיות כמו מפעלי מי שתייה ומי שופכין.

בקרי המנוע ביישומים אלה חייבים להיות מסוגלים לשלוט ולהגן על מנועים בין 75 כוחות-סוס (HP) ו-‎700 HP. הגנה מקיפה, כולל הגנת עומס-יתר, הגנת תקלת הארקה והגנת חוסר איזון בין פאזות,‏ נחוצה כדי לתמוך בפעולה בעמידות גבוהה.

הם חייבים גם לכלול דיאגנוסטיקה עצמית של בלאי מגעים וגילוי מתח-יתר ותת-מתח סליל, עם אינדיקטורים ויזואליים כדי לתמוך בתחזוקה חזויה, ולהיות בעלי מבנה מודולרי למתן שירות מהיר יותר כדי למקסם את זמן הפעולה התקינה. יש צורך בתאימות עם National Electrical Code‏ (NEC),‏ UL ודירוג זרם קצר (SCCR) של International Electrotechnical Commission‏ (IEC) כדי להבטיח שהציוד החשמלי יכול לעמוד בזרמים גבוהים ללא נזק, ושהוא בטוח.

בקרי מנוע אלה חייבים גם לעמוד בתקן IEC 60947-4-1, שמכסה את הבטיחות של מגעונים (Contactors) ומתנעים (Starters) אלקטרומכניים, כולל התקני מיתוג הגנתיים של מנוע (MPSD), התקני מיתוג הגנתיים מיידיים-בלבד של מנוע (IMPSD) ומפעילי ממסרי מגעון.

מאמר זה מתחיל עם‏ סקירה כללית של‏ דרישות SCCR. אחר כך הוא‏ צולל עמוק לתוך משפחה של בקרי מנוע חכמים מבית ‏Schneider Electric‏ שפותחו לאחרונה, כולל מגעונים מודולריים וממסרי עומס-יתר תוך פירוט הפעולות של הפונקציות ההגנתיות וכיצד דיאגנוסטיקה-עצמית ממומשת.

המאמר בוחן כיצד ממסרי עומס-יתר אלה עומדים בדרישות‏ של IEC 60947-4-1 ומציג כיצד התכן המודולרי מאיץ תחזוקה מונעת. הוא מסיים בהתבוננות על הדרך בה ניתן להשתמש בשני מגעונים כדי להרכיב הרכבה הופכת, ובכך לאפשר בקרה דו-כיוונית של‏ מנועי AC‏.

ה-SCCR‏ הוא מאפיין‏ חיוני כשמגדירים‏ לוח בקרה התורם לאמינות הכוללת. הוא משמש בקביעת גודל רכיבי ההספק כמו מגעונים ומוליכים. IEC 60947-4-1 מפרט שלושה שלבים לחישוב ה-SCCR (איור 1):

1. זהה את ה-SCCR‏ של כל רכיב הגנה ו/או בקרה וכל בלוק ואלמנט במערכת החלוקה.
2. קבע את ה-SCCR של‏ כל מעגל ענף (branch circuit), על סמך ערכי הרכיבים במעגל.
3. קבע את ה-SCCR של‏ לוח הבקרה השלם, על סמך הערכים של המעגלים.

איור 1‏: חישובי SCCR מתחילים בדירוגי רכיבים פרטניים (מלבנים צהובים), עלה לקביעת ה-SCCR של‏ מעגלי ענף (branch circuit) (אזור מוקף קווקוו אדום), ואחר כך הבא בחשבון את צרכי ה-SCCR של לוח הבקרה השלם (מלבן אפור). (מקור תמונה: Schneider Electric‏)

מגעוני TeSys Giga

מגעוני TeSys Giga זמינים בדירוגים מ-115 עד ‏900‏ אמפר (A‏) בתצורות 3 קטבים (3P) כמו גם 4 קטבים (4P). ה-SCCR שלהם מדורג עד 100 קילו-אמפר (kA‏) ו-480 וולט (V), עם הפרטים של התקני הגנה שונים ודירוגים‏ רשומים בטבלה בצד המגעון. נוסף לכך, מגעוני ה-4P מציגים את דירוגי המנוע AC-3‏ ו-HP. מגעונים אלה זמינים עבור שתי קטגוריות עומס:

• AC-1‏ – זו חלה על עומסי AC‏ בהם גורם ההספק הוא מעל 0.95. אלה הם בעיקר עומסים לא אינדוקטיביים או מעט אינדוקטיביים, כמו עומסים התנגדותיים. שבירת הקשת החשמלית גורמת להקשתה מינימלית ובלאי מגעים מינימלי.
• AC-3‏ – זו חלה עד מנועי כלוב סנאי עם ניתוק במהלך פעולה רגילה של המנוע. בסגירה, יש‏ זרם התנעה של עד שבע פעמים זרם העומס המלא הנקוב של המנוע. בפתיחה, המגעון מנתק את זרם העומס המלא הנקוב של המנוע.

מגעוני TeSys Giga ניתנים להזנה על ידי מתח בקרה זרם חילופין (AC) או זרם ישר (DC) ויש להם מדכאי נחשול מובנים. ישנן שתי גרסאות של‏ מגעונים, סטנדרטיים ומתקדמים. מגעונים סטנדרטיים מתוכננים לשימוש כללי. הדוגמאות כוללות:

• LC1G1154LSEN,‏ 4P עבור עומסי AC-1. מדורגים ל-‎250 A עם סליל פס-רחב ‏200‎-500‎ V AC/DC
• LC1G225KUEN,‏ 3P עבור עומסי AC-3. מדורגים ל-‎225 A עם סליל ‏‎100-250 V AC/DC

למגעוני TeSys Giga מתקדמים יש מאפיינים נוספים כמו מבחר גדול יותר של מתחי סליל, צריכת הספק סליל נמוכה יותר, כניסת בקר לוגי ניתן-לתכנות (PLC),‏ ותכן‏ כבל המאפשר תחזוקה ללא הסרת כבלים או חיבורי פס צבירה.

דגמים מתקדמים גם תואמים עם המודול האופציונלי Remote Wear Diagnosis‏ (RWD) הנדון בפרק הבא. דוגמאות של מגעונים‏ מתקדמים כוללות:

• LC1G115BEEA,‏ 3P עבור עומסי AC-3. מדורגים ל-‎115 A עם סליל ‏‎24-48 V AC/DC
• LC1G800EHEA,‏ 3P עבור עומסי AC-3. מדורגים ל-‎800 A עם סליל ‏‎48-130 V AC/DC

כל מגעוני ה-TeSys Giga כוללים נורית LED‏‏ דיאגנוסטיקה בלוח הקדמי להערכה מהירה של תנאי תקלה (איור 4‏).

איור 2‏: מגעון TeSys Giga טיפוסי מראה את נורית ה-LED דיאגנוסטיקה במרכז החלק העליון של היחידה. (מקור תמונה: DigiKey‏)

מגעוני ה-TeSys Giga כוללים מספר פונקציות דיאגנוסטיקה משולבות כדי לשפר אמינות ולתמוך בתחזוקה מונעת, כולל:

דיאגנוסטיקת בלאי מגעים ו-RWD

המגעים מתבלים בכל פעם הם מנתקים את הזרם במעגל ההספק. תקלת מגע גורמת לאובדן בקרת מנוע. אלגוריתם הבלאי מגע בבקרי TeSys Giga מחשב באופן שוטף את יתרת חיי השירות של המגעים. כשיתרת חיי השירות היא מתחת ל-%‏15‏, ניתנת התרעה המאפשרת לתזמן תחזוקה מונעת:

• התרעה מקומית נראית ב-LED הדיאגנוסטיקה בחזית המגעון.
• ניתן להשתמש במודול ‏RWD אופציונלי עם מגעונים מתקדמים.

דיאגנוסטיקת מתח בקרה

מתח הבקרה מנטר תנאי תת-מתח ומתח-יתר. אינדיקציית‏ הדיאגנוסטיקה זמינה מרחוק ביחידות עם מק"טים בעלי סיומת LSEMC, תוך שימוש במודול ניהול התקן מרחוק‏ (RDM‏) אופציונלי. תת-מתח מוגדר כמתח אספקה מתחת 80%‏ של‏ מפרט המינימום, ומתח-יתר‏ מוגדר כגדול יותר מ-110% של המקסימום.

דיאגנוסטיקת תפקוד פנימי

הבהוב רציף של LED הדיאגנוסטיקה מציין תקלה פנימית כלשהי במעגלי הבקרה.

התקני מיתוג הגנתיים של מנוע

בקרי מנוע חכמים כמו מגעוני TeSys Giga הם‏ חלק חשוב של התקנות‏ Industry 4.0.‏ השימוש ‏בהתקני MPSD‏ הוא גם כן שיקול‏ חשוב כדי להבטיח פרודוקטיביות מקסימלית וזמינות.

ב-IEC 60947-4-1, ‏MPSD‏ מתייחס להתקן המתוכנן עם‏ השהיה כדי להגן על מנוע מתנאי עומס-יתר. התקן מסוג שני, IMPSD,‏ הוא MPSD מסוג מיוחד המנתק מיד עם גילוי עומס-יתר.‏ התקני IMPSD אינם קשורים בדרך כלל עם הגנה על מנוע AC.

בהתאם ליישום, התנעת מנוע יכולה להימשך מספר שניות או כמה עשרות שניות. ה-MPSD‏ חייב להיות מוגדר כך שיעמוד בדרישות היישום לבטיחות תוך מניעת ניתוק מטריד.

כדי לספק צרכי יישום מיוחדים, IEC 60947-4-1 מגדיר מספר קטגוריות של‏ ממסרי עומס-יתר. קטגוריית הניתוק מצביעה על משך הזמן המקסימלי לפתיחת הממסר במקרה של עומס-יתר.‏

ישנם גם הבדלים בין קטגוריות ניתוק IEC‏ וצפון אמריקאיות. לדוגמה, Class 10‏ היא קטגוריית ניתוק‏ צפון אמריקאית המנתקת את העומס-יתר תוך 4-10 שניות מגילוי 600% מכוונון זרם העומס-יתר. Class 10A‏ היא קטגוריית ניתוק‏ IEC המנתקת את העומס-יתר תוך 2-10 שניות מגילוי 720% מכוונון זרם העומס-יתר (טבלה 1).

טבלה 1‏: דוגמאות של‏ קטגוריות ממסר עומס-יתר תרמי מבוססות על זרם נקוב (Ir‏). (מקור טבלה: Schneider Electric‏)

קטגוריות ניתוק A‏10 ו-‏10 מתאימות עבור מנועי normal-duty (מומנט סיבוב פוחת עם הירידה במהירות). Class 20‏ מומלצת עבור מנועי heavy-duty (טולרנס עומס-יתר גבוה ומומנט קבוע) כדי למנוע ניתוק מטריד. Class 30‏ משמשת עם מנוע‏ בעל התנעה ארוכה מאוד.

ממסרי עומס-יתר TeSys Giga

ממסרי עומס-יתר תרמי TeSys Giga הם גמישים ביותר ומתוכננים לשימוש עם מנועי AC. הגדרות הגנה מפני תקלות הארקה וחוסר איזון פאזות כמו גם קטגוריית ניתוק (5‏, ‏10, ‏20‏ ו-30‏) ניתנות להגדרה על הלוח הקדמי. הלוח הקדמי גם כולל נוריות LED התרעה וסטטוס. הם בעלי תחומי הגנת עומס-יתר תרמי רחבים, ניתנים לכוונון, המאפשרים לארבעה דגמים בעלי חפיפה לטפל ביישומים מ-28‎ A עד ‎630 A (איור 3‏):

LR9G115, מתכוונן מ-28 עד ‎115 A

LR9G225, מתכוונן מ-57 עד ‎225 A

LR9G500, מתכוונן מ-125‏ עד ‎500 A

LR9G630, מתכוונן מ-160‏ עד ‎630 A

איור 3‏: הלוח הקדמי של ממסרי עומס-יתר TeSys Giga כולל נוריות LED סטטוס וכוונון הגנות. (מקור תמונה: DigiKey‏)

עומסי-יתר תרמיים

הגנת עומס-יתר תרמי משמשת עם מנועים חד-פאזיים ותלת-פאזיים אסינכרוניים. רמת הזרם להגנת עומס-יתר תרמי ניתנת לכוונון בהתבסס על הדגם של ממסר העומס-יתר בו משתמשים. נוסף לכך, קטגוריית הניתוק וההשהיה הקשורה ניתנות לכוונון. ניתן להגדיר הגנת עומס-יתר לאיפוס אוטומטי או ידני.

איבוד פאזה

הגנת איבוד פאזה משמשת כדי להגן על מנועים‏ תלת-פאזיים אסינכרוניים מהתחממות-יתר. ממסר העומס-יתר מנטר באופן רציף את הזרם בכל פאזה. כשערך הזרם באחת הפאזות נמוך מ-0.1 של הזרם הנקוב (Ir), וערך הזרם בפאזה אחרת הוא גדול מ-0.8‎ Ir, ממסר העומס-יתר מעורר תוך ‎4 ±1 שניות. הגנת איבוד פאזה לא ניתנת לביטול וחייבת להיות מאופסת ידנית.

חוסר איזון פאזות

חוסר איזון פאזות גורם להתחממות-יתר של‏ מנוע‏ אסינכרוני. סיבות נפוצות כוללות:

• קו אספקת-כוח ארוך
• מגע פגום במתג הכניסה
• רשת לא מאוזנת

כשיחס חוסר האיזון עולה על 40%, ממסר העומס-יתר מעורר תוך ‎5 ±1 שניות. הגנת חוסר איזון פאזות חייבת להיות מאופסת ידנית.

תקלות הארקה

הגנת תקלת הארקה משמשת להגנה על מנועים‏ תלת-פאזיים אסינכרוניים. תקלת הארקה מתרחשת כאשר הבידוד במעגל העומס הופך ללא יעיל בשל רעידות, לחות או גורמים אחרים. ממסר העומס-יתר מנטר את זרם ההארקה (Ig). כשה-Ig‏ עולה ביותר מ-%‏10 מזרם‏ Ir‏, הממסר מנתק תוך ‎1 ±0.2 שניות. הגנת תקלת הארקה חייבת להיות מאופסת ידנית.

מודולריות

התכן המודולרי של מגעוני TeSys Giga יכול להיות שימושי במיוחד אם יש בלאי מגעים חריג או אם‏ עומס-יתר או תנאי עבודה לא נורמליים אחרים גורמים נזק לבקר. מודולי בקרה ניתנים גם להחלפה כדי להתאים למתחי סליל שונים, ומודול המיתוג ניתן להחלפה במקרה של קטבים שחוקים.

ניתן ליישם פונקציית זיכרון כבל עם ערכה אופציונלית כדי לסייע בתחזוקה מהירה. לאחר התקנה, מודול הבקרה או המיתוג ניתן להחלפה במהירות מבלי להסיר את הכבלים.

להתקדם בכיוון הפוך

היפוך מגעונים משמש לשינוי כיוון הסיבוב של‏‏ מנועי AC ביישומים כמו מסועים, מעליות וקווי אריזה. הם עובדים על ידי היפוך הקוטביות של‏ החיבורים, דבר הגורם למנוע להסתובב בכיוון ההפוך.

ניתן לבנות מגעון היפוך באמצעות שני מגעונים סטנדרטיים מקושרים מכנית. הקישור מונע הפעלה בו זמנית של המגעונים (איור 4‏).

איור 4‏: שני מגעוני TeSys Giga מקושרים כדי ליצור מגעון‏ מניע בכיוון הפוך עבור מנועי AC. (מקור תמונה: Schneider Electric‏)

לדוגמה, ניתן להשתמש ברכיבים הבאים כדי לבנות מגעון המניע בכיוון הפוך, מדורג 200‎ HP ב-460‎ V עם סליל של 100-250‎ V AC/DC (איור 6):

• LC1G265KUEN, בקר מנוע TeSys Giga, דרושים שניים
• DZ2FJ6, ערכת משיכה מגעון
• LA9G3612, מפזרים
• LA9G3761, סרגלי היפוך
• LA9G970, מקשר מכני

סיכום

מגעוני וממסרי עומס-יתר TeSys Giga הם התקנים רב-תכליתיים ביותר היכולים למקסם עמידות וזמן פעולה תקינה במגוון רחב של יישומים. המגעונים מדורגים מ-115 עד ‎900 A בתצורות 3P ו-4P. הם בעלי SCCR של עד ‎100 kA‏ ‎480 V‏, והתכן המודולרי שלהם מאיץ תחזוקה.

לממסרי העומס-יתר הניתנים לתכנות יש תחומי זרם עבודה רחבים, ובכך מאפשרים למספר קטן של התקנים לענות על הצרכים של יישומים רבים. לבסוף, ניתן לממש בקרת תנועה דו-כיוונית על ידי חיבור שני מגעוני TeSys Giga במערכת מקשרת מכנית.