Ochrana motorů

Ochrana motorů

Ing. Zdeněk Bekr,
Siemens s. r. o.

Proč vlastně motor chránit?

Většina motorů zařazených v průmyslových technologiích je řízena automaticky, bez zásahu obsluhy. Případné poškození motoru zpravidla bývá spojeno s neplánovaným přerušením výrobního procesu. Dlouhodobé prostoje ve výrobě, nebo dokonce její zastavení, byť i na přechodnou dobu, jsou často spojeny s většími ztrátami, než jaké představuje oprava nebo instalace nového motoru. Proto volba vhodného způsobu ochrany motoru není jen ryze technickou záležitostí.

Hlavní funkce ochrany

Elektromotor odebírá elektrickou energii z napájecí sítě a mění ji na energii mechanickou. Přitom vznikají ztráty, které způsobují oteplení motoru. Prvotní příčinou nadměrného oteplení motoru mohou být např. velký zatěžovací moment, velká četnost spouštění, zablokovaný rotor, výpadek fáze nebo asymetrické zatížení napájecí sítě.

Nejdůležitější funkcí ochrany motoru je zamezit nadměrnému oteplení statoru a rotoru, tzn. odpojit motor dříve, než jeho okamžitá teplota překročí hodnotu mezní provozní teploty. Zároveň však motor nesmí být odpojen při dlouhodobém trvalém zatížení jmenovitým výkonem, během rozběhu nebo brzdění a během přerušovaného provozu definovaného provozními cykly S2 a S8 (EN 60034-1).

Rozběh motoru

Kritický „okamžik„ představuje spouštění zatíženého motoru. Při rozběhu, kdy se otáčky zvyšují z nulové hodnoty na jmenovitou, odebírá motor mnohem větší proud než po ukončení rozběhu, tj. při jmenovitých otáčkách. Teplota vinutí statoru a rotoru tak během několika sekund vzroste, protože teplo není ještě dostatečně odváděno železem. Při návrhu ochrany je tedy nutné vzít v úvahu dobu rozběhu zatíženého motoru. Hovoří se o tzv. normálním rozběhu (třída 10 CLASS 10), jestliže je tato doba kratší než 10 s, nebo o těžkém rozběhu (CLASS 20 a CLASS 30), trvá-li rozběh déle než 10 s.

Druhy ochran

Podle způsobu „měření“ teploty se ochrany motoru rozlišují na tzv. proudově závislé a proudově nezávislé. V případě proudově závislých ochran je teplota vinutí motoru vyhodnocována nepřímo, prostřednictvím provozního proudu motoru. Chrání tedy proti nadměrnému oteplení, jemuž předchází zvýšení provozního proudu motoru. To může – trvá-li delší dobu, motor poškodit nebo dokonce zničit. Proudově závislé ochrany vyhodnocují právě nárůst tohoto proudu. Doba vypnutí závisí na poměru hodnot vypínacího a nastaveného proudu a lze ji odečítat na vypínací charakteristice ochrany. Čím větší je nárůst provozního proudu motoru, tím kratší je doba vypnutí. Příkladem těchto ochran jsou tepelná nadproudová relé SIRIUS 3RU1, elektronická nadproudová relé SIRIUS 3RB1, jističe SIRIUS 3RV1 s tepelnou spouští na přetížení anebo jističe SENTRON. Na rozdíl od nadproudových relé chrání jističe také před zkratovými proudy.

Proudově nezávislé ochrany měří přímo teplotu ve vinutí motoru. Vhodné čidlo teploty vybírá a instaluje ve vinutí motoru zpravidla výrobce motoru. Mezi proudově nezávislé ochrany patří termistorová relé SIMIREL 3RN1 (obr. 1) nebo měřicí relé teploty SIMIREL 3RS10.

Jističe SIRIUS 3RV1

Jsou to kompaktní proudově omezující jističe, jež jsou určeny k ochraně proti přetížení a zkratu. Tepelná spoušť na přetížení poskytuje optimální ochranu třífázovým motorům s provozním proudem do 100 A, který se nastavuje potenciometrem na čelním panelu jističe. Vypínací proud magnetické zkratové spouště je nastaven výrobcem na třináctinásobek hodnoty jmenovitého proudu jističe. V případě zkratu je chráněné zařízení během několika milisekund odpojeno od napájecí sítě. Jističe SIRIUS 3RV10 chrání motor rovněž proti chodu na dvě fáze. Při výpadku jedné fáze je totiž nárůst proudu ve zbývajících fázích příčinou nadměrného oteplování motoru a tím i oteplování bimetalu tepelné spouště. Doba vypnutí jističe při dvoupólovém zatížení se zkracuje podle vypínací charakteristiky (obr. 2) tak, že motor je včas odpojen od napájecí sítě. Jističe SIRIUS 3RV1 mají vypínací charakteristiku pro pohony s dobou rozběhu do 10 s (CLASS 10) nebo do 20 s (CLASS 20).

Automatický „reset„

Jističe SIRIUS 3RV11 (obr. 3) jsou vybaveny funkcí nadproudového relé s automatickým zpětným nastavením (reset). Při přetížení zůstávají hlavní kontakty i pohon jističe v poloze zapnuto. Tepelná spoušť na přetížení spíná dva pomocné kontakty, rozpínací odpojí řídicí obvod stykače spouštějícího motor, zapínací signalizuje přetížení motoru. Když bimetal vychladne, kontakty se automaticky vrátí do původní polohy (automatické zpětné nastavení) a motor je znovu spuštěn. Odpadá tedy ruční zapínání jističe při přetížení, které je nutné u typové řady 3RV10 (obr. 4). Výsledkem je úspora času a zkrácení prostojů zařízení na minimum. Vypne-li jistič zkratem, ruční zapnutí je nutné u obou typových řad.

Bez tepelné spouště

Provozní spouštění motorového spouštěče s nadproudovým relé zajišťuje stykač nebo softstartér, ochranu motoru proti přetížení nadproudové relé, které však nemá dostatečnou zkratovou vypínací schopnost. Pro tyto spouštěče jsou určeny jističe SIRIUS 3RV13, jež jsou vybaveny pouze magnetickou zkratovou spouští nastavenou výrobcem na třináctinásobek hodnoty jmenovitého proudu. Nemají tepelnou spoušť, protože k ochraně proti přetížení slouží nadproudové relé.

Další aplikace

Jističe SIRIUS 3RV10 je možné bez problémů použít k ochraně vedení. Ani zapínací magnetizační proud transformátoru nebude příčinou nežádoucího vypnutí jističe typové řady 3RV14. Ta je konstruována pro ochranu primárního obvodu transformátoru. Magnetická zkratová spoušť je výrobcem nastavena na dvacetinásobek hodnoty jmenovitého proudu.

K signalizaci přetavení pojistkové vložky lze použít jistič 3RV16. K jednotlivým pojistkám je vždy paralelně zapojen jeden pól jističe, kterým začne protékat proud, je-li pojistka přetavena. Jistič vypíná působením magnetické zkratové spouště. Je-li proud menší než 1,2 A, je vypnut působením tepelné spouště. Pomocný kontakt signalizuje přetavení pojistky nebo prostřednictvím vhodného spínacího přístroje odpojí všechny póly od napájecí sítě.

Nadproudová relé SIRIUS

Stejně jako jističe SIRIUS 3RV1 (obr. 5) patří také jisticí nadproudová relé do skupiny proudově závislých ochran motoru. Rozlišují se tepelná a elektronická nadproudová relé.

Tepelná kontra elektronická relé

Hlavní částí tepelných relé 3RU11 je bimetal s vinutím. Jím protéká provozní proud motoru a tak zahřívá bimetal. Nárůst proudu (trvající určitou dobu) doprovázený zvýšením teploty bimetalu způsobí mechanické vychýlení bimetalu, které aktivuje vypínací mechanismus relé a přepne pomocné kontakty relé.

Elektronická nadproudová relé 3RB10 (obr. 6, obr. 9) a ochrana 3RB12 (obr. 7) měří nárůst proudu integrovanými měřicími transformátory proudu a vyhodnocují ho elektronickými obvody, jež řídí spínání pomocných kontaktů relé.

Motor je poté odpojen stykačem, v jehož řídicím obvodu je zapojen pomocný rozpínací kontakt tepelného, popř. elektronického nadproudového relé.

Tepelná nadproudová relé 3RU11 mají vypínací charakteristiku pro normální rozběh a poskytují spolehlivou ochranu motorů od 0,11 do 100 A. Výhodný poměr výkonu k ceně představuje hospodárné řešení v oblasti menších výkonů.

Elektronická relé

Elektronická nadproudová relé mají ve srovnání s tepelnými relé některé výhody. Je to především velký rozsah nastavení proudu, nepatrný ztrátový výkon, stabilní časová závislost vypínacích charakteristik a vypínací charakteristiky pro těžké rozběhy.

Následkem velkého rozsahu nastavení provozního proudu je menší počet verzí, zjednodušení projektování a skladového hospodářství a snížení hodnoty vázaného kapitálu. Nepatrný ztrátový výkon snižuje spotřebu energie (až o 95 % nižší oproti tepelným relé). Tím se snižuje oteplování stykače a rozváděče (případná úspora chladicí jednotky) a šetří místo v rozváděči. Je tomu tak proto, že i při větším provozním proudu je možné elektronické relé připevnit na stykač. Stabilní časová závislost vypínacích charakteristik zaručuje dlouhodobou spolehlivou ochranu rovněž v těžkých provozních podmínkách průmyslu.

Elektronická relé 3RB10

Elektronická nadproudová relé typové řady 3RB10 s vypínací charakteristikou pro normální nebo těžké rozběhy zajistí spolehlivou ochranu motorů s provozním proudem od 0,1 do 630 A. K napájení vnitřních obvodů se využívá provozní proud motoru. Rozměry, ovládací prvky i vybavení jsou stejné jako u tepelných relé 3RU11. Záměna tepelného relé za elektronické je tedy velmi jednoduchá. Důvodem výměny může být kratší doba odezvy (do 3 s) při výpadku fáze, větší rozsah nastavení proudu nebo nižší spotřeba energie. Předností je i stejné příslušenství pro obě varianty nadproudových relé.

Elektronická ochrana 3RB12

Elektronická ochrana typové řady 3RB12 s vypínací charakteristikou pro normální i těžké rozběhy do 30 s chrání motory s provozním proudem od 0,25 do 820 A. Vnitřní elektronické obvody jsou napájeny z externího napájecího zdroje. Vhodná volba vypínací charakteristiky (CLASS 5, 10, 15, 20, 25, 30) otočným přepínačem na čelním panelu relé vede k nejen menšímu počtu provedení, zjednodušení projektování a skladového hospodářství, ale i ke snížení hodnoty vázaného kapitálu.

Ve srovnání s jednodušší typovou řadou 3RB10 je ochrana motoru 3RB12 vybavena některými nadstandardními a doplňkovými funkcemi.

Výstraha přetížení

Blížící se vypnutí motoru, jehož příčinou může být velký zatěžovací moment, fázová asymetrie nebo výpadek fáze, signalizuje svítivá dioda a pomocné kontakty, které umožňují zpracovat tuto informaci např. řídicím systémem. Výstraha přetížení je aktivována dlouhodobějším zvýšením provozního proudu motoru nad mezní hodnotu a dovoluje tak včas uskutečnit cílený zásah (snížení zátěže) v technologii. Toto řešení šetří měřicí proudové relé, místo v rozváděči a zjednodušuje zapojování.

Termistorová ochrana

Kromě proudově závislé ochrany motoru je v 3RB12 integrována tzv. termistorová ochrana, která vyhodnocuje oteplení měřením teploty přímo ve vinutí motoru. Tak lze zjistit nedovolené oteplení způsobené např. poruchou cirkulace chladicího média, kterou proudově závislá ochrana nevyhodnotí.

Termistory PTC zabudované ve vinutí motoru jsou zapojeny v měřicím obvodu s detekcí přerušení vodiče. Je-li obvod přerušen, relé vydá povel k odpojení motoru. Výhodou integrované termistorové ochrany je úspora samostatného termistorového relé nebo měřicího relé teploty.

Vyhodnocení zemního spojení

Zemní spojení může nastat v důsledku poškození izolace, zvýšené vlhkosti nebo kondenzace vody v elektrickém zařízení. Ochrana 3RB12 chrání motor rovněž proti těmto vlivům. Interní vyhodnocení je vhodné pro motory s třížilovým připojením, chybový proud přitom musí být větší než 30 % hodnoty nastaveného proudu. Interní vyhodnocení zemního spojení nelze použít pro spouštěče hvězda-trojúhelník, protože při přepnutí z hvězdy do trojúhelníku vznikají rušivé proudové špičky. Ty mohou být příčinou nežádoucího vyhodnocení zemního spojení. Zapojení s externím součtovým transformátorem proudu pro motory s tří- nebo čtyřžilovým připojením vyhodnotí sinusové chybové proudy 0,3, 0,5 a 1 A. Výsledkem je další zjednodušení montáže a snížení nákladů.

Správnost funkce

Ochrana motoru 3RB12 je vybavena automatickým monitorováním správné funkce. Jestliže je zjištěna vnitřní závada, je motor odpojen. V tom případě nelze tuto ochranu zpětně nastavit tlačítkem reset.

Analogový výstup

Ochrana 3RB12 je vybavena analogovým převodníkem, který převádí hodnotu provozního proudu motoru na signál o hodnotě 4 až 20 mA. Převedena je přitom vždy největší naměřená hodnota proudu jednotlivých fází. Hodnota provozního proudu motoru může být zobrazena magnetoelektrickým měřicím přístrojem, zpracována programovatelným automatem nebo přenesena sběrnicovým systémem AS-Interface.

Díky použití nadstandardních a doplňkových funkcí ochrany 3RB12, které byly popsány v předchozích odstavcích, není nutné instalovat další externí měřicí transformátory proudu, převodníky, monitorovací relé nebo vyhodnocovací přístroje. Přínosem je menší zastavěný prostor v rozváděči, přehlednější kabelové svazky a zkrácení doby montáže. Výsledkem je celkové snížení nákladů na výrobu rozváděče.

Inteligentní ochrana SIMOCODE-DP

Systém SIMOCODE-DP (Siemens Motor Protection and Control Device Decentralised Peripherals) je kombinace ochrany motoru a řídicího systému s decentralizovanými periferními zařízeními vybavená komunikačními funkcemi. Kromě funkcí integrovaných v ochraně 3RB12 poskytuje komplexní diagnostické i řídicí funkce a je zde zabudované rozhraní Profibus-DP.

Mezi devět řídicích funkcí patří např. přímé a reverzační spouštění motoru, spouštění hvězda-trojúhelník, Dahlanderovo zapojení, pozvolné spouštění (softstartér) nebo šoupátkový ventil (servopohon). Předdefinované řídicí funkce zrychlují projektování, omezují pravděpodobnost výskytu chyb a zkracují doby programových cyklů.

SIMOCODE-DP (obr. 8) zjišťuje provozní a statistické údaje o jednotlivých motorových vývodech a pracovníka technologie nepřetržitě informuje o aktuálním provozním stavu. Signalizací kritických provozních stavů lze předejít výpadku zařízení v technologii. Technolog je včas informován např. o přetížení pásu dopravníku nebo míchadla a může cíleně zasáhnout. Údaje o počtu rozběhů a vypnutí v důsledku přetížení i o počtu provozních hodin jsou ukládány do trvalé paměti systému SIMOCODE-DP. Na základě statistického zpracování těchto údajů lze včas plánovat pravidelné odstávky pro účely údržby. Intervaly údržby je tak možné přizpůsobit aktuálnímu stavu zařízení.

K dalším přednostem patří modulární konstrukce, jednoduché a rychlejší uvádění do provozu, komunikace po sběrnici Profibus, omezení počtu přístrojů motorového vývodu, menší zastavěný prostor v rozváděči a snížení nákladů potřebných na propojovací vodiče.

Tento systém se v praxi osvědčil při řízení a ochraně motorů nejen v chemickém, cementářském a metalurgickém průmyslu, ale i v plynárenských, ocelářských, textilních a petrochemických provozech. Uplatnění nalezne taktéž v provozech s nepřetržitou provozní pohotovostí technologie po celých 24 hodin.

Termistorová ochrana

Uvedená ochrana patří do skupiny proudově nezávislých ochran. Skládá se z termistorů (zpravidla PTC) zabudovaných ve vinutí motoru a termistorového relé, které vyhodnocuje teplotu a dává signál k odpojení motoru. Měření teploty přímo ve vinutí motoru zajišťuje ochranu motoru, nelze-li jeho teplotu posuzovat na základě provozního proudu motoru – např. při nepravidelném přerušovaném provozu, vysoké četnosti spouštění, zvýšené teplotě okolí nebo nedostatečné cirkulaci chladicího média. Pro tyto motory představuje zmíněný způsob vyhodnocení nadměrného oteplení optimální ochranu. Termistorové ochrany mohou monitorovat rovněž teplotu vinutí transformátorů, teplotu ložisek, oleje atd.