Softstartéry Sirius – plynulý a šetrný rozběh
 | |
| Softstartéry Sirius – plynulý a šetrný rozběh Ing. Luboš Holubec, Siemens s. r. o. Softstartéry Sirius Ve většině aplikací průmyslových pohonů se používají osvědčené asynchronní třífázové motory. Přitom klasické spouštění těchto motorů – přímé spouštění, nebo i spouštění hvězda-trojúhelník – je jen zřídka nejvhodnějším řešením. Oba zmíněné způsoby spouštění totiž mají nepříjemné vedlejší účinky – např. opotřebení působením mechanických rázů v poháněném stroji či zařízení nebo poklesy napětí v napájecí síti. Důsledkem těchto jevů v praxi je také zvýšení provozních nákladů. Tyto nepříznivé jevy lze odstranit instalací softstartérů Sirius společnosti Siemens. Při jejich použití je rozběh motorů pozvolný a bez nárazů. Je tomu tak proto, že softstartér plynule řídí napájecí napětí motoru po celou dobu rozběhu. Kromě toho jeho aplikace vede k výrazným úsporám provozních nákladů. Připojená mechanická zařízení jsou tedy při spouštění motoru rovněž uchráněna před rázy, provozní vlastnosti pracovního stroje nebo zařízení jsou vylepšeny a jejich životnost se tak prodlužuje (obr. 1).  Obr. 1. Rozšířená typová řada softstartérů Sirius nabízí zajímavá řešení téměř pro všechny pohonářské aplikace Softstartéry Sirius zajistí spouštění motoru šetrné k zařízení i tehdy, jestliže vznikly problémy s odstraněním tlakových rázů v potrubí při zapnutí a vypnutí odstředivých nebo pístových čerpadel, (beznárazový) rozběh dopravních zařízení či zmenšení rozběhového proudu pily nebo míchadla. Nové typy softstartérů Společnost Siemens, divize Automatizace a pohony, uvedla na trh novou generaci kompaktních softstartérů s řízením ve dvou fázích. Jsou to softstartéry Sirius 3RW40 do výkonů 250 kW při napětí 400 V. Ty, spolu s menšími softstartéry Sirius 3RW30, jsou vhodné pro většinu standardních aplikací (s výjimkou případů s těžkým rozběhem nebo u zařízení se speciálními požadavky). Softstartéry Sirius typu 3RW44 jsou vybaveny rozsáhlými funkcemi a řeší i obtížné rozběhy a doběhy velmi jednoduchým a především „měkkým„ způsobem. Nejnovější způsob regulace točivého momentu umožňuje použít uvedené softstartéry pro pohony o výkonu do 710 kW ve standardním zapojení, popř. do 1 200 kW při zapojení „uvnitř trojúhelníku„. V porovnání s použitím měničů frekvence v aplikacích s konstantními otáčkami jsou softstartéry Sirius 3RW44 zajímavou alternativou, jejíž přínos se projeví především snížením nákladů. U obou typových řad softstartérů – 3RW3 i 3RW4 – je důsledně dodržována jednotná koncepce. Je proto možné využít zmíněné produkty při sestavování spotřebičových vývodů Sirius – stavebnice Sirius dovoluje jednoduše vytvářet kombinace přístrojů (jističe, stykače, nadproudová relé a softstartéry) při splnění podmínky minimálních nákladů. Pro spotřebičový vývod stačí stavebnici pouze seřadit a přišroubovat. Spouštění motorů V praxi se motory spouštějí v zásadě dvěma způsoby: pomocí stykačů nebo spouštěči hvězda-trojúhelník. Nejjednodušší spuštění třífázového asynchronního motoru je použitím spotřebičového vývodu, tj. pomocí kombinace „spínací součásti„ a „jisticí součásti„. Pro jištění standardních aplikací se v současné době využívají především výkonové jističe, alternativně též pojistky v kombinaci s nadproudovými relé. Motor je přitom zapínán stykačem nebo spouštěčem hvězda-trojúhelník (kombinací stykačů). Při přímém spouštění motoru zapnutím stykače jsou motor i napájecí síť nárazově zatíženy plným rozběhovým proudem motoru. Rozběhový proud může být (podle provedení motoru) až osminásobkem jmenovitého proudu motoru. Napájecí síť je tímto nárazovým proudem velmi zatížena; to se projevuje např. míháním osvětlení. Proto jsou u aplikací motorů od výkonu 5,5 kW stále častěji potřebná opatření ke snížení hodnoty rozběhového proudu motoru. Skokem se nemění jen proud, ale také točivý moment motoru, který je přenášen na pracovní stroj nebo zařízení. Rozběhový točivý moment motoru je několikanásobně větší než jmenovitý točivý moment motoru. Momentový ráz může na výrobní lince způsobit těžkosti, např. pád přepravovaného zboží na dopravním zařízení nebo prokluzování hnacího řemenu ventilátoru. Údržba zařízení se v případech s rázovým rozběhem musí vykonávat častěji, než je nutné u rozběhů bez rázů. Tomu rovněž odpovídá zvýšení nákladů na údržbu pohonu a pracovního stroje nebo celého zařízení. Aplikace se spouštěčem hvězda-trojúhelník slibují jisté zlepšení. Zmíněný spouštěč rozbíhá motor v zapojení do hvězdy a po uplynutí nastavené doby přepne zapojení motoru do trojúhelníku. Předností jeho použití je třetinový záběrný proud a tím i třetinový záběrný moment při zapojení do hvězdy oproti zapojení do trojúhelníku – rozběhový proud a rozběhový moment vykazují menší rázy. Nevýhodou tohoto zapojení je vznik dalšího rázu při přepnutí z hvězdy do trojúhelníku. Lze tedy říci, že spouštěč hvězda-trojúhelník vykazuje v podstatě podobné nevýhody jako přímý spouštěč. Elektronické softstartéry pro menší namáhání pohonů Softstartéry Sirius snižují hodnotu napětí na motoru při rozběhu pomocí řízení fázového úhlu zapnutí (tyristoru). Lineární rozběh (rozběhová rampa) umožňuje plynulé zvyšování napětí motoru z předem nastavitelné počáteční hodnoty na hodnotu plného síťového napětí. Přitom softstartéry při rozběhu omezují proud a tím i moment motoru a zabraňují tak rázům, které nutně vznikají při přímém spouštění nebo při spouštění hvězda-trojúhelník. Tak lze spolehlivě omezit mechanické zatížení pohonů a také náhlé poklesy napětí v napájecí síti.  Obr. 2. Použitím sofstartérů Sirius při spouštění motorů lze podstatně snížit jejich mechanické namáhání i poklesy napětí v síti Pozvolný rozběh je šetrný k připojeným zařízením – omezením opotřebení se prodlužuje doba bezporuchového provozu výrobních zařízení. Nastavitelné počáteční napětí softstartérů Sirius umožňuje individuální přizpůsobení požadavkům aplikace. Aplikace navíc není vázána na dvoustupňové spouštění, jako je tomu u spouštění hvězda-trojúhelník s pevně danými napěťovými poměry (obr. 2). Softstartéry Sirius navíc poskytují i funkce jako pozvolný doběh nebo regulace točivého momentu. Na rozdíl od náhlého vypnutí napájení motoru stykačem umožňuje funkce pozvolného doběhu lineární snižování napětí motoru (tzv. doběhová rampa). Proto se zátěž při vypnutí pohonu mění pozvolně, bez rázů, a proto i bez zvýšeného opotřebování zařízení. Funkce pozvolného doběhu je v mnoha případech velmi výhodná: při správném nastavení dovoluje např. při vypínání čerpadla snížit tlakový ráz v potrubí až na nulu (zabrání zpětnému pohybu kapaliny, který vzniká při přímém vypnutí motoru čerpadla). Systémové stavebnice Softstartéry Sirius pro standardní aplikace jsou nedílnou součástí systémové stavebnice Sirius (obr. 3). Nejde tedy o „samostatně montovatelné“ přístroje, které musí být pracně připojeny na přívodní a vývodní vodiče. Tyto nové přístroje mají menší požadavky na prostor, než je tomu u jiných způsobů spouštění nebo při sestavování spotřebičových vývodů z jednotlivých komponent.  Obr. 3. Řada kompaktních sofstartérů Sirius pro motory do výkonu 250 kW Společnost Siemens dává uživatelům k dispozici typovou řadu kompaktních softstartérů Sirius 3RW40 s integrovanými přídavnými funkcemi do výkonu 250 kW při napětí 400 V. V softstartérech Sirius řady 3RW40 jsou zabudovány kontakty pro přemostění tyristorů; tím se vyloučí ztráty na tyristorech po ukončení rozběhu motoru. Integrovaný systém elektronického zhášení oblouku chrání tyto kontakty po dobu přemostění při různých poruchách, jako je krátkodobé přerušení napájecího napětí pro řídicí obvody, při mechanických otřesech nebo při vadách součástí podmíněných jejich životností (cívka stykače, pružiny hlavních kontaktů). Softstartéry Sirius typové řady 3RW40 dále nabízejí přídavné funkce, jako je nastavitelné omezení proudu, integrovaná vlastní ochrana a ochrana motoru při přetížení (podle normy IEC 60947-4-2). Tyto funkce nabývají na významu zejména u výkonů nad 75 kW, kdy zvláštní ochrana, jako např. nadproudové relé pro ochranu při přetížení, již není nutná – ušetří se místo v rozváděči a sníží se pracnost při zapojení vývodu. Rozběhový proud motoru, zejména u pohonů větších výkonů, může dosáhnout nepřípustných hodnot pro místní síť, a to i v případě motorů řízených softstartérem. Součástí Siriusu 3RW40 je nastavitelné omezení rozběhového proudu; spolehlivě tak zamezuje vznik jinak nevyhnutných proudových špiček při rozběhu motorů (obr. 4).  Obr. 4. Nastavitelná regulace točivého momentu u sofstartéru Sirius 3RW44 umožňuje rovnoměrné zatížení motoru i zařízení Dobu vypnutí ochrany při přetížení softstartérů Sirius 3RW40 lze variabilně nastavit čtyřstupňovým otočným potenciometrem (podle třídy zatížení). Postup nastavování jmenovitého proudu motoru, doba vypnutí a opětovné spuštění (reset) funkce ochrany při přetížení motoru jsou stejné jako u nadproudových relé Sirius. Vlastní ochrana při přetížení 3RW40 brání tepelnému přetížení tyristorů a tím i vzniku závady na výkonové části softstartéru. Volitelně lze tyristory při zkratu jistit pojistkami Sitor pro jištění polovodičů. Patentované řízení spínání Softstartéry Sirius 3RW40 využívají nový, patentovaný postup řízení spínání polarity balancing. Ten zamezuje vznik stejnosměrné složky proudu u dvoufázově řízených softstartérů. Neřízenou fází dvoufázově řízených softstartérů teče proud, který je součtem proudů řízených fází. Tím vzniká fyzikálně podmíněné nesymetrické rozdělení proudů ve třech fázích po dobu rozběhu motoru. Toto rozdělení nelze ovlivnit, ale ve většině případů není kritické. Kromě asymetrie při spínání tyristorů vznikají ve dvou řízených fázích také již zmíněné stejnosměrné složky proudů, které při počátečním napětí menším než 50 % mohou vést k velké hlučnosti motoru. Funkce polarity balancing vznik uvedených stejnosměrných složek při rozběhu motoru spolehlivě eliminuje. Umožňuje tudíž rozběh motoru v souladu s rovnoměrným růstem otáček, točivého momentu a proudu. Přitom akusticky se projevuje téměř stejně hlučně (popř. „tiše„) jako v případě s třífázově řízeným rozběhem. Toho se dosahuje průběžným dynamickým srovnáváním a vyvažováním jednotlivých půlvln proudů různé polarity během rozběhu motoru. Softstartéry Sirius 3RW40 mají integrované sledování stavu a zjišťování poruch: tři diody LED a reléové výstupy umožňují diferencované sledování a diagnostiku pohonu (např. signalizace výpadku sítě nebo fáze, chybějící zátěže, nedostatečného nastavení doby vypnutí při přetížení nebo třídy přetížení, tepelného přetížení či poruchy softstartéru). Úspora nákladů Softstartéry Sirius většinou potřebují jen třetinu prostoru ve srovnání s kombinací hvězda-trojúhelník stejného výkonu. Ušetří se prostor v rozváděči a místo na montážní liště, ale odpadají i náklady na zapojení kombinace hvězda-trojúhelník. To je obzvláště významné při větších výkonech (nad 75 kW, 400 V), protože u těchto výkonů jsou prefabrikovaná řešení nabízena jen ve zvláštních případech. Rovněž se zmenšuje počet vodičů mezi startérem a motorem (ze šesti na tři). Kompaktní zástavba (též těsná montáž), krátká doba montáže, jednoduché zapojení a rychlé uvedení do provozu se projevují v nižších nákladech a umožňují využít kompaktní softstartéry typové řady Sirius i ve standardních aplikacích. Ve srovnání s aplikacemi používajícími spouštěče hvězda-trojúhelník jsou ty s kompaktními softstartéry Sirius méně nákladné. Poněkud vyšší pořizovací náklady vyváží úspora nákladů na instalaci. Výše úspor mimo instalaci závisí na realizovaném zařízení a ostatních podmínkách, a to při zásadě čím delší je životnost zařízení, tím větší je ekonomická výhodnost použití softstartérů Sirius (obr. 5).  Obr. 5. Softstartéry Sirius redukují napětí motoru pomocí řízení fázového úhlu zapnutí Softstartéry Sirius typové řady 3RW40 jsou řízeny ve dvou fázích; nejsou proto vhodné pro zapojení „uvnitř trojúhelníku„. V tomto zapojení jsou fáze softstartéru zapojeny v sérii s vinutími motoru, takže softstartér může být dimenzován jen na proud ve větvi trojúhelníku, tj. asi na 58 % jmenovitého proudu motoru (proudu, který teče v přívodu napájení). Uvedené zapojení sice vyžaduje ve vývodu k motoru šest vodičů místo tří ve standardním zapojení, avšak při stejném výkonu lze použít menší softstartér. Pro provozní spínání je řízení ve třech fázích nadbytečné, stejně jako ochrana při přetížení motoru, která je často již integrována i v softstartérech s řízením ve dvou fázích. Pozvolný rozběh v softstartérech s řízením ve dvou fázích je stejně spolehlivý jako v softstartérech s řízením ve třech fázích. Softstartéry s řízením ve dvou fázích s integrovanými kontakty k přemostění pro snížení ztrátového výkonu a tím i odváděného tepla se osvědčily jako kompaktnější a co se týče kabeláže i úspornější alternativa zapojení „uvnitř trojúhelníku„. Pro nestandardní aplikace, např. pro pohony s těžkým rozběhem, nabízí Siemens softstartéry Sirius 3RW44, které se vyznačují špičkovými vlastnostmi. Řízení je ve třech fázích a kromě funkcí standardních softstartérů nabízejí další možnosti: zapojení „uvnitř trojúhelníku„, pravou regulaci točivého momentu při rozběhu pohonu nebo tzv. utrhávací impuls, tj. krátkodobé zvýšení točivého momentu motoru při zpomalení, popř. zastavení pohybu zařízení (např. dopravníku). Řešení high feature Konstrukce softstartérů Sirius 3RW44 je (stejně jako všech softstartérů typové řady Sirius) mimořádně kompaktní. Znamená to úsporu místa při instalaci a přehledné uspořádání přístrojů v rozváděči (obr. 6).  Obr. 6. Softstartér Sirius 3RW44 pro motory do 90 kW Regulace točivého momentu a nastavitelné omezení proudu umožňují zavést softstartér Sirius 3RW44 téměř ve všech aplikacích – zaručují odstranění momentových rázů a proudových špiček při rozběhu a doběhu motorů. To vede k úsporám při dimenzování rozvodů a spínání a při údržbě zařízení. Výhodou softstartérů Sirius 3RW44 ve standardním zapojení i v zapojení „uvnitř trojúhelníku„ jsou zejména jejich malé rozměry; jejich instalací je rovněž možné snížit náklady na přístrojové vybavení. Uvedené přístroje se pohodlně ovládají, a proto je lze rychle uvést do provozu. Usnadněním je bloková klávesnice a víceřádkový grafický displej řízený příkazy z menu s možností volby jazyka podle přání uživatele. Prostřednictvím několika nastavení lze rychle, jednoduše a bezpečně optimalizovat rozběh a doběh motoru. Ovládání čtyřmi tlačítky doplněné signalizací (se stručným textem v každé položce menu) zaručují přehlednost při nastavování parametrů i při ovládání v provozu. Na displeji jsou během provozu pod napětím průběžně zobrazovány měřené a provozní hodnoty, výstrahy a poruchová hlášení. Navíc je možné na softstartér kabelem připojit vnější modul zobrazení a ovládání. Tak lze např. číst aktuální hlášení přímo na dveřích rozváděče anebo nastavovat různé funkce bez nutnosti otevřít dveře rozváděče. Softstartér typu 3RW44 spolehlivě reguluje točivý moment a eliminuje nastavitelné omezení proudové špičky. Lze jej volitelně vybavit komunikačním modulem pro Profibus DP. Komunikační funkce, jakož i řídicí vstupy a programovatelné reléové výstupy usnadňují a urychlují integraci softstartérů Sirius 3RW44 do nadřazených řídicích systémů. Pro potřeby polohování a pro úlohy při seřizování mají softstartéry Sirius 3RW44 k dispozici funkci pomalého chodu. Pomalý chod při sníženém momentu a nastavitelných nízkých otáčkách je potřebný k ovládání motoru v obou směrech otáčení. Poháněnou zátěž lze naproti tomu rychle zastavit novou kombinovanou funkcí brzdění stejnosměrným proudem. Lze rovněž využít četné možnosti diagnostiky, jako je deník poruch, seznam událostí nebo funkce sledování (trace). Se softstartéry Sirius ve srovnání jak s měniči frekvence, tak i se spouštěči typu hvězda-trojúhelník – lze pracovat s nižšími náklady. Siemens s. r. o. | |