Przekaźniki do sterowania rozruchem silników

Przekaźniki do sterowania rozruchem silników to bardzo wytrzymałe urządzenia stosowane w układach załączania silników elektrycznych i innych urządzeń przemysłowych. Mówiąc precyzyjniej, używane są one zwykle do włączania zasilania zwojów lub specjalnego modułu, które z kolei bezpośrednio uruchamiają silnik. Styczniki bezpieczeństwa to jeden z typów styczników sterowania silnikami, wykorzystywanych do ochrony układów startowych maszyn przed przeciążeniem i zniszczeniem. Ochraniają one układ maszyny, wykrywając przeciążenia prądowe, przepięcia lub zapady napięcia, skoki prądów lub przypadkowe wyłączenia faz zasilania.

Korzyści ze stosowania przekaźników sterowania silnikami

Podstawowy element przewagi przekaźników sterowania rozruchem silników nad popularnymi stycznikami stosowanymi w układach elektrycznych to możliwość swobodnego dołączania zewnętrznych akcesoriów i biegunów w układach napędowych. Mogą one również obsługiwać napędy z uzwojeniami pracującymi przy napięciach 600 V AC. Tak wysoka odporność przekaźników sterowania silnikami czyni je niezwykle przydatnymi w większości wymagających aplikacji napędowych w przemyśle produkcyjnym. Przekaźniki te mogą współpracować z licznymi akcesoriami i modułami dodatkowymi:

• tłumienia udarów napięciowych,

• timerami pneumatycznymi i półprzewodnikowymi,

• przekaźnikami mechanicznymi i z magnesami trwałymi,

• wyłącznikami konfigurowalnymi.

W celu ochrony wrażliwych układów elektrycznych i półprzewodnikowych, bezpośrednio na stykach uzwojeń montuje się moduły tłumienia udarów napięciowych, powstających na skutek procesu oddawania energii nagromadzonej w uzwojeniu. Timery pneumatyczne współpracują ze stykami pomocniczymi przekaźników sterowania silnikiem, opóźniając proces załączania i wyłączania tych styków. Bardziej niezawodne od nich są timery półprzewodnikowe, działające też z większą precyzją odmierzania czasu opóźnienia. Przekaźniki (styki) mechaniczne i z magnesami trwałymi są konieczne do utrzymania zamknięcia styków przekaźnika sterowania silnikiem, w przypadku chwilowego zaniku i ponownego załączenia zasilania. Wyłączniki konfigurowalne mą zostać zaprogramowane jako normalnie otwarte lub zamknięte. Dzięki ich zastosowaniu przy odpowiedniej konfiguracji połączeń użytkownik maszyny może zmieniać liczbę jej biegunów.

Aplikacje w przemyśle produkcyjnym

Przekaźniki sterowania rozruchem silników są integralną częścią obwodów sterowania. Przykładowo, aplikacja może zawierać dwa moduły uruchomieniowe silników, gdzie drugi z silników uruchamiany jest i hamowany z pewnym opóźnieniem w stosunku do pierwszego. Drugi silnik może pełnić w tej aplikacji np. funkcję wentylatora chłodzącego lub pompy. Innego typu aplikacje dla przekaźników sterujących silnikami to chociażby różnego rodzaju pompy, układy taśmociągów, utrząsarki (np. do równania arkuszy w drukarniach), obwody bezpieczeństwa, układy zabezpieczenia pomp itp. Przekaźniki takie mogą być również użyte w układach sekwencyjnego załączania napędów, w których mogą zabezpieczać układ przed nadmiernym przeciążeniem, np. na skutek równoczesnego załączenia kliku napędów.

Aby dobrze dobrać przekaźnik, konieczne jest dokładne ustalenie napięć występujących w układzie napędowym, prądów obciążenia, liczby biegunów oraz przybliżonego czasu przed planowaną wymianą lub remontem. Podstawowym parametrem doboru uzwojeń sterujących silnikiem jest napięcie, przy którym będą one pracować. Z reguły jest to zakres do 600 V AC. Parametry obciążalności styków przekaźnika sterującego rozruchem silnika powinny być dostatecznie wysokie, by przenieść obciążenie i przerwać zasilanie uzwojenia modułu startującego silnik. Ponieważ uzwojenia są odbiornikami o charakterze indukcyjnym, projektant przekaźnika powinien tak dobrać elementy łączące, aby wytrzymały pojawienie się krótkotrwałych udarów napięciowych przy gromadzeniu się energii w uzwojeniach i jej oddawaniu przy wyłączaniu.

Zarówno w przypadku wszystkich elektromechanicznych urządzeń łączeniowych, jak też przy przekaźnikach sterujących silnikami, mówi się o ich wytrzymałości mechanicznej i elektrycznej. Pierwsza z nich dotyczy głównie żywotności ruchomych styków (otwarcie–zamknięcie) w warunkach pracy bez obciążenia. Wytrzymałość elektryczna rozumiana jest z kolei jako długość okresu pracy przekaźnika przy normalnej pracy, odłączaniu i załączaniu prądów uzwojeń.

Alternatywne metody sterowania załączaniem silników

Innymi popularnymi metodami sterowania załączaniem silników elektrycznych są:

• zastosowanie klasycznych przekaźników,

• zastosowanie tzw. przekaźników inteligentnych,

• bezpośrednie sterowanie przy użyciu sterowników PLC.

Klasyczne przekaźniki wymagają użycia wraz z nimi specjalnych transformatorów (control power transformers) lub układów zasilaczy. Transformatory te zmniejszają poziom napięcia do wartości powszechnie stosowanych w cewkach klasycznych przekaźników, zaś układy zasilaczy obniżają poziom napięcia i wyprostowują je na napięcie stałe. Trzeba pamiętać, że styki kontaktowe przekaźników ogólnego przeznaczenia projektowane są zazwyczaj pod obciążenia typu rezystancyjnego, dlatego też przy zastosowaniu ich w układach sterowania silnikami (odbiorniki o charakterze indukcyjnym) niezbędne jest ich przewartościowanie i odpowiedni dobór przekaźnika.

Tak zwane przekaźniki inteligentne to urządzenia o możliwościach klasycznych przekaźników, wzbogacone o prosty układ programowania wybranych funkcjonalności, takich jak: timery, liczniki, zegary czasu rzeczywistego i wyświetlacze. Przekaźniki takie programuje się za pomocą paneli znajdujących się na ich stronie frontowej, a więc w sposób stosunkowo prosty i ułatwiający obsługę. Istotne, by projektanci układów sterowania z takimi przekaźnikami pamiętali o zainstalowaniu odpowiednich tłumików przy cewce układu startującego silnika, w celu ich ochrony przed zaburzeniami ze strony obciążenia indukcyjnego. Umiejętne zastosowanie przekaźników inteligentnych niesie ze sobą szereg korzyści, takich jak: mniejsze nakłady pracy i koszty instalacji, redukcja czasu ewentualnych napraw ze względu na mniejszą liczbę elementów układu sterowania oraz łatwość rekonfiguracji układu sterującego i zastosowania nowych funkcjonalności.

Dzięki rozwojowi energoelektroniki oraz pojawieniu się nowoczesnych mikrokontrolerów, współczesne układy sterowania załączaniem silników mogą być sterowane bezpośrednio ze sterowników PLC. Okazuje się, że elektroniczne układy sterowania uzwojeniami rozruchowymi silników są niekiedy bardziej wydajne i niezawodne od klasycznych układów startujących, bazujących na przekaźnikach. Dotyczy to w szczególności napędów niewielkiej mocy – do 30 kW. Uzwojenia rozruchowe w takich aplikacjach mogą być załączane bezpośrednio z wyjść tranzystorowych lub przekaźnikowych sterownika. W przypadku użycia tych ostatnich należy zwrócić uwagę na ich obciążalność oraz liczbę tego typu wyjść dostępnych w sterowniku. Czy awaria jednego z wyjść nie spowoduje konieczności wymiany całego modułu wyjść? Aby zapobiec niespodziewanym awariom wyjść sterownika należy tak dobrać poziom ich obciążalności prądowej, by prądy przełączania styków przekaźnikowych były niższe od prądów występujących w układzie startowym w momencie rozruchu silnika (udary prądowe).

Przekaźniki w układach rozruchowych silników elektrycznych to jedne z najbardziej wymagających i wytrzymałych urządzeń stosowanych w automatyce i sterowaniu. Projektując aplikacje rozruchowe z ich udziałem inżynierowie muszą wziąć pod uwagę takie czynniki, jak: obciążalność napięciowa i prądowa, niezawodność, odporność na różnego typu zaburzenia elektryczne (zwłaszcza udary prądowe i napięciowe) oraz koszty instalacji, sprzętu i ich utrzymania oraz zarządzania po wdrożeniu. Właściwy dobór wszystkich elementów aplikacji rozruchowej gwarantuje jej długą żywotność i niezawodność realizacji powierzonych zadań.

Artykuł pod redakcją Andrzeja Ożadowicza

“Inteligentne” przekaźniki mogą służyć do sterowania rozruchem silników 

Autor: David Brandt