כיצד להגן על מכונות יקרות באמצעות ממסרי ניטור תלת-פאזי זולים

רוב המכונות המסחריות והתעשייתיות המצויות במערכות חימום, אוורור ומיזוג אוויר (HVAC), טיפול במים, טיפול בחומרים, מכונות עיבוד שבבי וביישומי ימאות ותעופה מופעלות על ידי מנועים תלת-פאזיים. התקנים אמינים אלו עלולים להינזק ממגוון של מצבי תקלה אשר אם הם אינם מטופלים במהירות, עלולים להוביל לתקלה או לפחות לקיצור חיי הפעולה, וכתוצאה מכך לזמן השבתה ולעלויות תיקון משמעותיות.

ממסרי ניטור פאזה יכולים לשמש כדי לגלות תקלות אלו, להודיע למפעילים ולעצור את המכונה לפני שנגרם נזק פרמננטי. ממסרים אלה יכולים לגלות שכל שלושת הפאזות קיימות, יש להם את הסדר הנכון, ויש להם מתחי פאזה שהם בתחום הנכון. אם מתרחשת שגיאה, הממסר יכול לפתוח מערך של מגעים היכולים להפעיל מצב התרעה או להשבית את המכונה.

קיים מגוון רחב של ממסרי חישת פאזה לטיפול במגוון רחב של מתחים, תצורות תלת-פאזיות ומצבי שגיאה. מאמר זה דן בקצרה במצבי כשל מנוע פוטנציאליים וכיצד פועלים ממסרי חישת פאזה. לאחר מכן הוא מתאר את הבחירה והיישום של ממסרי ניטור תלת-פאזיים באמצעות דוגמאות מהעולם האמיתי מבית Carlo Gavazzi.

אופני תקלה במנוע תלת-פאזי

בין התקלות הנפוצות במגוון של תעשיות הן אלו הקשורות למקור הספקת-הכוח התלת-פאזי והשפעתו על מנועים. איבוד של אחת משלושת הפאזות או אי-איזון במתחי הפאזה עלולים לגרום לזרמים גבוהים מהרגיל ביתר הפאזות למנוע, מה שיוביל לאיבוד כוח מכני ולרעידות מכניות חריגות. בדומה, תת-מתח ומתח-יתר מאלצים את המנוע להגביר את הזרם כדי לדחוף את אותו העומס, מה שעלול לקצר את חיי המנוע.

אפשרות נוספת היא סדר פאזות לא-נכון העלול לגרום למנוע להפוך כיוון, שבתורו עלול לגרום לתוצאות הרות אסון בצד העומס של המנוע.

הפונקציות של ממסר ניטור פאזה

לממסרי ניטור פאזה יש מגוון של פונקציות הקשורות למצב של מקור הספקת-הכוח התלת-פאזי. הם מוזנים מהקווים התלת-פאזיים שהם מנטרים. כל אלו עוקבים אחר סדר הפאזות ואחר איבוד מתח של אחת הפאזות. הממסרים מופעלים כאשר כל הפאזות נוכחות, ובסדר הנכון. במקרה של איבוד אחת מהפאזות או סדר פאזות לא נכון, הממסר מנתק. כמה ממסרי ניטור פאזה גם מנטרים את רמות המתח של כל שלושת הפאזות. מדידת המתח משתמשת בשורש ממוצע הריבועים האמיתי (TRMS‏) ומשביתה את הממסר כאשר האמפליטודה יורדת מתחת לסף שהוגדר מראש. כמה התקנים מציעים את אותו גילוי אמפליטודה אך יש להם הגדרות גבול הניתנות לכוונון על ידי המשתמש. מגוון של דגמי ממסר מנטרים אסימטריה וטולרנס בפאזות. כל הממסרים מציעים שיהוי לפני הפעלה עקב בעיות ברמת המתח או אסימטריה כדי למנוע הפעלה לא-רצויה. בכמה מהדגמים השיהוי ניתן לתכנות.

אפשרויות ממסר ניטור פאזה

ה-DPA01CM44 של .Carlo Gavazzi Inc הוא דוגמה לממסר רגיש לפאזה עבור תצורות תלת-חוטיות (איור 1). הסדרה מופעלת ממקור תלת-פאזי, עם דגמים הפועלים במתחים של 230, 400, 600 ו-690 וולט AC‏ (VAC). ממסרים אלו מיועדים להרכבה על מסילת DIN, עם גרסאות תקיעות הקיימות גם כן. תצורות יציאת הממסר הן מגע אחד קוטב-יחיד, שתי-דרכים (SPDT) או מגעי SPDT‏ כפולים.

איור 1: ה-DPA01CM44 הוא ממסר ניטור פאזה המותקן על מסילת DIN עבור קווים תלת-פאזיים של VAC‏ 208 עד VAC‏ 480 עם יציאת מגע ממסר SPDT. (מקור התמונה: .Carlo Gavazzi Inc)

בתנאי מתח רגילים, הממסר מופעל, כלומר המגע(ים) פתוח-במצב-רגיל (NO) של יציאת הממסר סגור(ים), ומגע(י) היציאה סגור-במצב-רגיל (NC) פתוח(ים). פעולת הממסר מתרחשת בתוך 100 מילי-שניות (ms‏). נורות LED סטטוס בפאנל הקדמי מסמנות קיום הספקת-כוח והפעלת הממסר.

את ממסרי ניטור הפאזה DPA01 ניתן להתקין כדי לנטר כל קו תלת-פאזי (דוגמה 1, באיור 2), או שהוא יכול להיות משויך למנוע תלת-פאזי (דוגמה 2).

איור 2: דוגמאות יישומים עבור ממסר ניטור תלת-פאזי סדרת DPA01. דוגמה 1 (משמאל) מציגה אותו מחובר לניטור קו תלת-פאזי. דוגמה 2 (מימין) ממחישה את השימוש בו בניטור מנוע תלת-פאזי. (מקור התמונה: .Carlo Gavazzi Inc)

כאשר מתרחש מצב שגיאה באחד מהיישומים, ממתג-זרם (Contactor) המחובר לממסר בצורה נכונה פותח את המעגל התלת-פאזי הרציף, בעוד שממסר הניטור נשאר מחובר למקור הספקת-הכוח. בחיבור לניטור קו תלת-פאזי ללא מנוע, אין בעיה לגלות פאזה מתה מכיוון שרמת הכניסה החסרה יורדת משמעותית. כאשר המנטר מחובר למנוע, פעולת המנוע תיצור מחדש את הפאזה החסרה עקב צימוד אינדוקטיבי פנימי. הממסר מוגדר לגלות פאזה חסרה כל עוד האמפליטודה נמוכה מ-85% מהמתח התלת-פאזי הנומינלי. כתוצאה מכך, חשוב לוודא שמתח המנוע המחודש נמוך מ-85% ממתח הקו הנומינלי.

ביישומים הדורשים סף מתח-יתר או תת-מתח מותאמים-במיוחד, ניתן להשתמש בממסר ניטור פאזות רב-פונקציות DPB01CM48 של Carlo Gavazzi. ממסר זה מגלה מצבי מתח-יתר ותת-מתח, כמו גם איבוד פאזה וסדר פאזות לא תקין. רמות הסף של המתח-יתר והתת-מתח ניתנות לכוונון על ידי המשתמש באמצעות מתג בפאנל הקדמי (איור 3).

איור 3: ממסר ניטור פאזות רב-פונקציות DPB01CM48 מנטר איבוד פאזה, סדר הפאזות וספי מתח יתר ותת-מתח הניתנים לבחירה באמצעות פקדי הפאנל הקדמי. שיהוי הפעלת מתח-יתר ותת-מתח ניתנים לכוונון על ידי המשתמש כדי למזער הפעלות טרנזיינטיות. (מקור התמונה: .Carlo Gavazzi Inc)

ממסר זה מורכב גם על מסילת DIN ותומך בטופולוגיות תלת-פאזיות של משולש (Delta) וכוכב (Wye) כאחד. יש לו תחומי מתחים הניתנים לתכנות על ידי המשתמש וניתנים לבחירה כמתחי קו-לקו של 380‏, 400‏, 415‏ ו-480 וולט AC, ומתחי קו-לאפס של 220‏, 230‏, 240‏ ו-277 וולט AC‏. טופולוגיית המעגל ותחומי המתחים הנקבעים באמצעות מתג DIP פנימי. דגם נפרד במשפחת DPB01 מטפל בתחומי מתחים נמוכים יותר.

ישנם שלושה כפתורי בקרה בפאנל הקדמי של הממסר. העליון קובע את סף המתח התחתון מ-%‏2- עד %‏22- מהמתח הנומינלי, האמצעי קובע את סף המתח העליון מ-2% עד 22% מהמתח הנומינלי, והתחתון משמשת לקביעת שיהוי ההפעלה בין 10 שניות עד 30 שניות. השיהוי משמש כדי למנוע מטרנזיינטי מתח קצרים להפעיל שלא בכוונה את הממסר.

ישנן שלוש נורות LED בפאנל הקדמי של הממסר כדי לציין את הסטטוס שלו. נורת LED‏ ירוק מציינת שהספקת-הכוח מופעלת. נורת LED‏ צהוב מציינת שהממסר משופעל. אם יש אירוע התרעה, הנורית הצהובה כבויה והממסר מושבת לאחר פסק זמן, והנורית האדומה תהבהב. אם השגיאה הייתה מצב של מתח-יתר או תת-מתח, הנורית האדומה מהבהבת בתדירות של 2 הרץ (Hz‏), והממסר יושבת לאחר פסק הזמן. אם מתרחש איבוד פאזה או סדר פאזות שגוי, הממסר יושבת בתוך 200 שניות, והנורית האדומה תהבהב בקצב של 5 הרץ למשך מצב השגיאה.

לממסר ניטור הפאזה DPC01DM69 יש את סט המאפיינים השלם ביותר של Carlo Gavazzi (איור 4). ממסר בהרכבת מסילת DIN זה מנטר את סדר הפאזות ואיבוד פאזה, כמו גם תת-מתח ומתח-יתר, סימטריית פאזות וטולרנס.

איור 4: ה-DPC01DM69 הוא ממסר ניטור פאזות להרכבה על מסילת DIN עם נורות LED‏ בקצה השמאלי המציינות מצבי ממסר משופעל (צהוב), מצב התרעה (אדום) ומצב הספקת-כוח פועלת (ירוק). הפקדים קובעים טולרנס/אסימטריה או ספי מתח-יתר/תת-מתח, ושיהוי הממסר. (מקור התמונה: .Carlo Gavazzi Inc)

ה-DPC01DM69 פועל בדומה ל-DPB01CM48 מבחינת בחירת תחום מתחי הפעולה והטופולוגיה התלת-פאזית. יש לו אפשרויות בחירה נוספות עם מתג DIP עבור שיהוי ההפעלה (1 שניות או 6 שניות), תצורת היציאה (מערך כפול של מגעי SPDT או מערך יחיד של מגעים דו-קוטביים, שתי-דרכים (DPDT)), ופונקציות ניטור של מתח-יתר/תת-מתח או אסימטריה/טולרנס.

ה-DPC01CM69 פועל בשלושה אופנים שונים בהתאם לסוג ההתרעה. איבוד פאזה או סדר פאזות לא-נכון גורמים להשבתת ממסרי היציאה 1 ו-2. אירוע מתח-יתר או אסימטריה גורם לממסר היציאה 1 להיות מושבת בתום שיהוי מוגדר-מראש 1, ואירוע תת-מתח או אירוע מחוץ-לטולרנס גורם לממסר היציאה 2 להיות מושבת בסוף שיהוי מוגדר-מראש 2. סידור יציאה כפולה זה מאפשר גמישות רבה יותר בתגובה לאירועי התרעה שונים.

אסימטריה היא אינדיקטור של איכות מקור הספקת-הכוח המוגדרת כערך המוחלט של הסטייה המקסימלית של מתחי הקו, מחולקים במתח הנומינלי של המערכת התלת-פאזית. הטולרנס הוא אינדיקטור נוסף לאיכות מקור הספקת-הכוח והוא מוגדר כערך המוחלט של הסטייה המקסימלית של מתחי הקו מהמתח הנומינלי, מחולק במתח הנומינלי של המערכת התלת-פאזית (איור 5).

איור 5: משוואות לאסימטריה וטולרנס של מקור תלת-פאזי. (מקור התמונה: .Carlo Gavazzi Inc)

באופן כללי, אי-איזון של הקווים התלת-פאזיים צריך להיות פחות מ-2% על מנת למנוע התחממות-יתר במנוע תלת-פאזי. שימו לב שדירוגי האסימטריה והטולרנס בכיסוי DPC01CM69 הם בתחום של %‏2 עד 22%.

סיכום

על פני מגוון רחב של תעשיות, ניטור AC תלת-פאזי הוא קריטי כדי למנוע זמן השבתה יקר עקב מנועים שניזוקו. כדי להבטיח שהדבר יתבצע בקלות וביעילות, Carlo Gavazzi מציעה מגוון רחב של ממסרי ניטור תלת-פאזי שתוכננו תוך שימוש בטכניקות המדידה המתוחכמות ביותר, ועדיין הם מציעים גם תהליך הגדרה קל. מגוון הממסרים הוא החל מהתקנים פשוטים המנטרים איבוד פאזה וסדר פאזות ועד למנטרים מורכבים יותר החשים בנוסף תנאי מתח-יתר ותת-מתח, כמו גם אסימטריה וטולרנס הפאזות. ממסרי ניטור פאזות אלו מעניקים את הביטחון שבעיות במקור הספקת-כוח תלת-פאזי לא יגרמו נזק למכונות יקרות.