Elektrický pohon mění elektrickou energii na mechanickou a je přitom vystaven riziku vnitřních i vnějších poruch, jimiž může být poškozen tak, že není schopen konat práci vůbec, nebo jen v omezené míře.
Obvyklé příčiny vyřazení elektrických pohonů z normálního stavu:
- Přetěžování strojů způsobuje vyšší oteplení a rychlejší stárnutí izolace. Životnost stroje se při trvalém zvýšení teploty o 10 K zmenšuje zhruba na polovinu. Materiál izolace se po čase rozpadává, ve slabém místě dochází pak k proražení izolace a spojení vodivých částí o různém napětí mezi sebou. Následky vyvolaného oblouku se projeví mnohdy roztavením vodičů vinutí, u strojů velkého výkonu často i kolem místa poruchy vytavením plechů magnetického obvodu.
- Zkratové poruchy mimo stroje pohonu, např. na přívodu; při zkratu klesne napětí na nulu a motor není ohrožen, zkratový proud však ohrožuje napájecí transformátor, přípojnice a předřazené přístroje. Tyto součásti obvodu je třeba chránit předřadnými prvky zkratového jištění.
Úlohou projekce elektrického pohonu, tj. návrhu vhodného elektrického motoru a jeho jištění, je volba takových jistících přístrojů, které svými vlastnostmi, parametry a nastavením zajišťují optimální využití a dobu života motoru elektrického pohonu.
Podle způsobu sledování teplotního stavu jištěných elektrických strojů se jištění člení na:
- přímé, realizované sledováním skutečné teploty vinutí jejím měřením uvnitř stroje;
- nepřímé, realizované sledováním velikosti proudu v přívodech jištěného motoru.
Systém přímého teplotního jištění je spolehlivou a objektivní metodou, neboť respektuje skutečnou teplotu jištěného vinutí elektrického motoru. Konkrétní provedení jsou realizovaná prostřednictvím měrných sond, vestavěných do vinutí – většinou jde o teplotně závislé rezistory s kladným součinitelem odporu, termistory PTC. Nevýhodou může být zpoždění reakce těchto sond na strmé teplotní vzestupy; je způsobeno izolační bariérou mezi vestavěnou sondou a vinutím. Výhodou je, že není třeba řešit problémy proudové nařiditelnosti ani kompenzace teploty okolí.
Nepřímé nadproudové jistící systémy, realizované tepelnými nadproudovými spouštěmi jističů a jistících relé, odvozují svoji funkci z velikosti proudového přetížení. Pro ochranu stále nejčetnějšího druhu elektrických pohonů, tedy trojfázových asynchronních indukčních motorů, se obvykle používá jistič s tepelnou spouští nebo tepelné nadproudové relé.
Tepelné nadproudové relé je dvojstavový přístroj, který indikuje přetížení a ovládá cívku stykače. Má v každé fázi topný element, reagující na oteplení způsobené procházejícím proudem. Toto oteplení se převádí v pohyb a překlápí dvojici kontaktů zařazených v obvodu cívky stykače. Termobimetalové relé pracuje na principu pásku, vyrobeného ze dvou materiálů o různých součinitelích tepelné roztažnosti. Vytápění pásku může být přímé – proud motoru prochází přímo bimetalem, nebo nepřímé – obvykle topným vinutím navinutým na izolační podložce na dvojkovu (topný element ale může být umístěn i jen v blízkosti pásku), nebo smíšené.
Důležitým faktorem je charakteristika nadproudového relé. Tato charakteristika znázorňuje vztah mezi vybavovací dobou relé a procházejícím proudem. Je přirozeně klesající – čím větší proud, tím kratší doba vybavení. Udává se pro působení ze studeného stavu a ze stavu teplého, předehřátého proudem motoru při plném výkonu. Relé musí svou charakteristikou včetně rozptylového pásma umožnit rozběh motoru, aniž by zapůsobilo, a současně musí zapůsobit dříve, než vinutí motoru dosáhne nebezpečného oteplení při přetížení.
Tepelné nadproudové relé je poměrně robustní a spolehlivý prvek, je však potřeba zmínit alespoň dvě oblasti použití, kde lze očekávat problémy i potíže při nastavení.
Při přerušovaném chodu motoru je jištění přechodných stavů nadproudovým relé obtížnější - oteplovací a ochlazovací časové konstanty popudových článků relé se liší od konstant jištěného elektromotoru. Pro dosažení spolehlivého jištění motorů za všech provozních stavů je třeba jmenovitý proud jistícího přístroje přizpůsobit tzv. ekvivalentnímu trvalému proudu motoru. Je to takový trvalý proud, který způsobí stejné oteplení jako krátkodobý popř. přerušovaný proud.
Další otázkou je funkce relé při použití frekvenčních měničů. Z důvodu magnetického využití stroje se při jejich napájení požaduje přibližně konstantní poměr U/f. Má-li motor vlastní ventilaci, bude se při nižších rychlostech hůře chladit. Proto je nutné korigovat (snížit) nařízený proud jistícího relé, nebo nepřímé jištění vůbec nevyužít. Ale i u motorů s cizím chlazením nastávají potíže díky obvyklé přítomnosti vyšších harmonických v napětí zdroje, tedy měniče kmitočtu. Materiál bimetalových popudových členů relé je feromagnetický, ohřívá se tedy vířivými proudy; na topném vinutí se může projevovat skin efekt a výsledkem obou jevů je zvýšený topný výkon a zcela nesprávné vyhodnocení zatížení motoru. Pomoci může zařazení vhodných tlumivek do přívodů k motoru.
Redukci nařízených proudových hodnot nepřímých nadproudových relé bývá nutné provést i tehdy, pracuje-li jištěný motor v prostředí s vyšší teplotou, zejména nad 40 °C; nadproudová relé přitom mohou být – a většinou jsou - umístěna v prostředí teplotně odlišném oproti prostředí jištěného motoru. Zohlednění např. vysoké teploty uvnitř rozvaděče motorového vývodu se řeší nejlépe použitím relé teplotně kompenzovaných.
Správná funkce nadproudových jistících relé se konečně musí projevit i v případě nesymetrického zatížení motoru. K takovému stavu může dojít např. výpadkem fáze v důsledku přetavení jedné pojistky. Třífázový motor, běžící dále jednofázově, je ohrožen tepelným přetížením. Vinutím, zapojeným mezi zdravé fáze, protéká asi 126 % normálního proudu vinutí, což odpovídá asi 160 % vývinu tepla. Je-li motor v klidu, nerozeběhne se, protože stator nebudí točivé pole. Nadproudové relé je vhodné vybavit mechanismem zcitlivujícím jeho funkci při nesymetrickém proudovém zatížení tak, aby při dvoupólovém zatížení došlo k podstatnému zkrácení doby do zapůsobení relé.
Tepelná nadproudová relé EPM – typy T17, T50 a T63
Nepřímá tepelná nadproudová relé T17 jsou dodávána pro oblast jmenovitých proudů 0,1 A až 25 A. Vstup do relé je proveden přívodními praporci, které umožňují přímou montáž na stykače C9, C12, C17, C23, C20, C25, C32 a C40. Jelikož stykače mají rozdílné rozteče hlavních svorek, jsou dva praporce relé výkyvné. K samostatné montáži je třeba použít adaptéru H17.
Řada tepelných nadproudových relé byla před několika lety doplněna typem T50 s pevnými praporci; tato relé v ampérážích 25 A, 35 A a 50 A je možno přímo připojit ke svorkám stykačů C20, C25, C32 a C40. Adaptér pro samostatnou montáž není dodáván – pro takové použití je k dispozici dále zmíněné relé T63 s adaptérem H63.
Relé T63 jsou vyráběna pro rozmezí jmenovitých proudů 10 A až 80 A. Mají všechny tři praporce pevné a jsou určena pro přímou montáž na stykače C50, C65 a C80. K samostatné montáži je třeba použít adaptéru H63. Relé T63 je navíc možno přímo připojit i do svorek větších stykačů C95, C115 a C150 – například při použití stykačů v kategorii AC-4.
Z hlediska konstrukčních a funkčních požadavků odpovídají relé normám ČSN EN 60947-1, ČSN EN 60947-4-1 a ČSN EN 60947-5-1. Všechna relé T17, T50 i T63 jsou téměř ideálně tepelně kompenzována v rozsahu teplot minus 30 °C až plus 60 °C a tudíž nevyžadují korekci proudového nařízení ani v extrémních teplotách. Jsou vybavena jištěním symetrie fází; v případě výpadku jedné fáze nebo při nesymetrickém zatížení pólů relé dochází k urychlení jejich funkce.
Na předním panelu relé je umístěn regulační kotouč, umožňující proudové nařízení v rozsahu (0,69 až 1) × In a tlačítko volby automatického či manuálního znovuzapínání. Funkce relé je nezávislá na přidržení tohoto tlačítka; stisknutí znovuzapínacího tlačítka nikterak neomezuje působení relé. Dále je na předním panelu umístěno testovací tlačítko, jehož stlačením je simulováno působení relé, dále ukazatel vypnutého stavu a prostor pro štítek označující relé v rozváděči. Relé mají dva galvanicky oddělené pomocné kontakty – jeden zapínací, jeden rozpínací. Svorky relé jsou kryty ve směru kolmém k upevňovacímu panelu proti dotyku prstem (IP20) a ve směru rovnoběžném s panelem proti dotyku hřbetem ruky (IP10) ve smyslu ČSN EN 60529.
Relé jsou vyráběna se dvěma charakteristikami. Charakteristika T..I (římská jedna) odpovídá vypínací třídě 10A, charakteristika T..II vypínací třídě 20. Dle normy ČSN EN 60947-4-1 nesmí relé působit za méně než 2 hodiny při 1,05 násobku proudového nařízení ze studeného stavu a musí působit za méně než 2 hodiny při následném zvýšení proudu na 1,2 násobek. U třídy 10A resp. 20 relé zatížené 1,5 násobkem proudového nařízení musí působit za méně než 2 min resp. 8 min počínaje z teplého stavu, a při 7,2 násobku musí působit mezi 2 s až 10 s pro třídu 10A resp. mezi 6 s až 20 s pro třídu 20 ze studeného stavu.
Funkční zatížitelnost relé je omezena 10 násobkem jmenovitého proudu relé; proti účinkům zkratových proudů je nutno obvod jistit jističem nebo tavnými pojistkami. Hodnota předpokládaného zkušebního proudu podle jmenovitého proudu je 1 kA do 16 A včetně, 3 kA pro rozmezí nad 16 A do 63 A včetně a 5 kA pro oblast nad 63 A do 125 A včetně. Předepsaným jištěním tavnými pojistkami gG a aM je pro všechna relé dosažena koordinace typu „2“.
Pro zajištění bezpečnosti provozu strojních zařízení a na základě ustanovení ČSN EN 60204-1 je nutné v případech automaticky řízených provozů zajistit blokování proti nekontrolovanému opětovnému rozběhu pohonu přes pomocné kontakty příslušného stykače, vypínaného nadproudovým relé - např. zapojením s dvojtlačítkem.
V případě zapojení motoru do hvězdy má nařízená hodnota relé odpovídat štítkovému proudu motoru. U zapojení do trojúhelníku záleží, je-li relé zařazeno v obvodu před rozvětvením vinutí motoru, kde protéká síťový proud, nebo ve větvích, kde protéká fázový proud. Ve druhém případě má být nařízená hodnota relé rovna štítkovému proudu motoru lomenému √3. Toto zapojení relé se používá u spouštěčů hvězda-trojúhelník.
Relé je také možno použít pro jednofázové jištění nebo ve stejnosměrných obvodech. V tom případě je nutno propojit všechny tři členy jednotlivých fází buď do série, nebo paralelně – při nesouměrném zatížení pólů by bylo působení relé urychleno. Při sériovém zapojení jednotlivých pólů se jmenovitý proud odvodu shoduje s nařízenou hodnotou relé, při paralelním zapojení musí být nařízená hodnota relé přirozeně třikrát menší než proud jištěného obvodu. V obou případech je z důvodu rovnoměrného rozložení úbytků napětí na popudových členech a propojkách vhodné zapojit vstup do relé na svorku 1 a výstup z relé na svorku 6.
Adaptér se používá v případě, kdy je na vstup relé potřeba zapojit více vodičů, např. pro reverzaci trojfázových asynchronních motorů. Jestliže není z jakéhokoliv důvodu možné použít relé s adaptérem, lze s praporci relé sevřít do svorek stykače tuhý Cu vodič. Předem tvarované a do svazku vyvázané spojky se vloží do otevřených svorek stykače, zasune se relé a svorky se utáhnou. Spojky musí být vyvedeny ze svorek stykače prostorem mezi stykačem a relé a musí být tvarovány tak, aby nebránily vstupu vodičů do svorek pomocných kontaktů.
Jistící soupravy s proudovými transformátory
Pro proudy nad 80 A lze použít sekundární jištění jistící soupravou, sestávající z relé T17I 1 A (T17II 1 A) v adaptéru H17 a 3 ks jistících transformátorů řady M. Výhodou sestavy je tak vysoká zkratová odolnost, že pro zkratové jištění všech provedení jistících souprav při použití se stykači plně vyhovuje zkratové jištění předepsané pro jednotlivé stykače. Konstrukce a funkční vlastnosti jistících transformátorů M odpovídají normě ČSN EN 60044-1. Kategorie transformátorů 10P5 (třída přesnosti 10P při nadproudovém činiteli 5) znamená, že pětinásobek jmenovitého primárního proudu je převeden s desetiprocentní proudovou chybou, tj. jako 4,5 násobek jmenovitého sekundárního proudu. Vypínací charakteristika soupravy T17I 1 A s jistícími transformátory M odpovídá vypínací třídě 20 (8 s při 7,2 násobku nařízeného proudu ze studeného stavu); vypínací charakteristika soupravy T17II 1 A + 3 ks M vypínací třídě 30 (18 s při 7,2 násobku ze studeného stavu).
Pracovní proud soupravy je určen počtem průvleků vodiče oknem transformátoru. Při jednoduchém průvleku jistí souprava obvod s hodnotou proudu odpovídající jmenovité hodnotě (100 A až 1100 A) transformátorů M s nařiditelností (0,69 až 1) x In. Vytvořením více primárních průvleků lze rozšířit možnosti použití pro obvody s menším proudem než 69 A. Počet průvleků je definován počtem průchodů vodiče oknem transformátoru (např. tři průvleky jsou vytvořené dvojím ovinutím téhož vodiče).
Jistící soupravu lze použít pro jiné frekvence sítě s respektováním téměř lineární změny nadproudového činitele a tím i výsledné charakteristiky soupravy. Změna funkčních časů je nepodstatná pro rozsah 42 Hz až 60 Hz.
Závěr
Tepelné nadproudové relé (podle předmětové normy je doporučené označení „relé na přetížení“) je jistící prvek, který i v současné době má výhody proti elektronickým jistícím zařízením; obejde se bez cizího napájení, při správném přiřazení a nařízení bude spolehlivě a dlouhodobě plnit očekávanou funkci a je velice vhodné pro motorové vývody, jištěné proti zkratu pojistkami.
Elektropřístroj s.r.o.
Mezi Vodami 1955, 143 00 Praha
Tel.: +420 261 106 342
E-mail: Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.
www.epm.cz
