ระบบควบคุมมอเตอร์อัจฉริยะช่วยเพิ่มความยืดหยุ่นและอายุการใช้งานให้สูงสุดได้อย่างไร

การควบคุมมอเตอร์อัจฉริยะเป็นสิ่งจำเป็นที่สามารถเพิ่มความยืดหยุ่นและเพิ่มเวลาทำงานของเครื่องจักรให้สูงสุดในอุตสาหกรรม 4.0 สำหรับการผลิต, โลหะและการดำเนินการเกี่ยวกับวัสดุพื้นฐาน, การสกัดและการทำเหมืองแร่ และโครงสร้างพื้นฐานที่สำคัญ เช่น โรงงานน้ำดื่มและน้ำเสีย

ระบบควบคุมมอเตอร์ในการใช้งานเหล่านี้จะต้องสามารถควบคุมและปกป้องมอเตอร์ที่มีกำลังระหว่าง 75 แรงม้า (HP) ถึง 700 แรงม้า ซึ่งจำเป็นต้องมีการป้องกันที่ครอบคลุม รวมถึงการป้องกันการโอเวอร์โหลด การป้องกันไฟฟ้ารั่ว และการป้องกันเฟสไม่สมดุล เพื่อรองรับการทำงานที่ยืดหยุ่น

นอกจากนี้ ยังควรมีการวินิจฉัยตนเองสำหรับการสึกหรอของหน้าสัมผัสและการตรวจจับแรงดันไฟฟ้าเกิน/ต่ำของคอยล์ด้วยตัวบ่งชี้ที่มองเห็นได้ เพื่อรองรับการบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์ และมีการออกแบบแบบโมดูลาร์สำหรับการใช้งานที่รวดเร็วยิ่งขึ้นเพื่อเพิ่มเวลาการทำงานให้สูงสุด จำเป็นต้องปฏิบัติตามมาตรฐานพิกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจร (SCCR) ของ National Electrical Code (NEC), UL และ International Electrotechnical Commission (IEC) เพื่อให้แน่ใจว่าอุปกรณ์ไฟฟ้าสามารถทนต่อกระแสไฟฟ้าสูงได้โดยไม่เกิดความเสียหาย และมีความปลอดภัย

ระบบควบคุมมอเตอร์เหล่านี้ยังต้องเป็นไปตาม IEC 60947-4-1 ซึ่งครอบคลุมถึงความปลอดภัยของคอนแทคเตอร์และสตาร์ทเตอร์แบบเครื่องกลไฟฟ้า รวมถึงอุปกรณ์สวิตชิ่งป้องกันมอเตอร์ (MPSD), อุปกรณ์สวิตชิ่งป้องกันมอเตอร์เท่านั้นแบบทันที (IMPSD) และแอคชูเอเตอร์ของรีเลย์คอนแทคเตอร์

บทความนี้เริ่มต้นด้วยภาพรวมของข้อกำหนด SCCR จากนั้นจะเจาะลึกเข้าไปในกลุ่มผลิตภัณฑ์ควบคุมมอเตอร์อัจฉริยะที่พัฒนาขึ้นใหม่ล่าสุดจาก Schneider Electric รวมถึงคอนแทคเตอร์แบบโมดูลาร์และรีเลย์โอเวอร์โหลดที่ให้รายละเอียดการทำงานของฟังก์ชันป้องกันและวิธีนำการวินิจฉัยตนเองไปใช้

บทความนี้จะพิจารณาว่ารีเลย์โอเวอร์โหลดเหล่านี้เป็นไปตามข้อกำหนดของ IEC 60947-4-1 ได้อย่างไร และแสดงให้เห็นว่าการออกแบบแบบโมดูลาร์ช่วยเพิ่มความเร็วในการบำรุงรักษาเชิงป้องกันได้อย่างไร ปิดท้ายด้วยการศึกษาว่าสามารถใช้คอนแทคเตอร์สองตัวเพื่อประกอบชุดย้อนกลับ ซึ่งช่วยให้สามารถควบคุมมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับได้สองทิศทาง

SCCR เป็นคุณลักษณะที่จำเป็นเมื่อระบุแผงควบคุมที่ช่วยให้มีความน่าเชื่อถือโดยรวม ใช้ในการกำหนดขนาดส่วนประกอบไฟฟ้า เช่น คอนแทคเตอร์และตัวนำไฟฟ้า IEC 60947-4-1 ระบุรายละเอียดสามเฟสสำหรับการคำนวณ SCCR (รูปที่ 1):

1. ระบุ SCCR ของส่วนประกอบการป้องกันและ/หรือการควบคุมแต่ละส่วน และแต่ละบล็อกและองค์ประกอบในระบบการจ่ายไฟ
2. กำหนด SCCR ของวงจรสาขาแต่ละวงจร ตามค่าของส่วนประกอบในวงจร
3. กำหนด SCCR ของแผงควบคุมทั้งหมด ตามค่าของวงจร

รูปที่ 1: การคำนวณ SCCR เริ่มต้นด้วยการกำหนดค่าพิกัดส่วนประกอบแต่ละชิ้น (กล่องสีเหลือง) เลื่อนขึ้นไปเพื่อกำหนด SCCR ของวงจรสาขา (กล่องเส้นประสีแดง) จากนั้นจึงพิจารณาความต้องการ SCCR ของแผงควบคุมที่เสร็จสมบูรณ์ (สี่เหลี่ยมผืนผ้าสีเทา) (แหล่งที่มาภาพ: Schneider Electric)

คอนแทคเตอร์ TeSys Giga

คอนแทคเตอร์ TeSys Giga มีให้เลือกใช้ตั้งแต่ขนาด 115 ถึง 900 แอมป์ (A) ทั้งในแบบ 3 ขั้ว (3P) และ 4 ขั้ว (4P) โดยมี SCCR ที่มีพิกัด สูงถึง 100 กิโลแอมป์ (kA) และ 480 โวลต์ (V) พร้อมข้อมูลจำเพาะสำหรับอุปกรณ์ป้องกันและค่าพิกัดต่างๆ ระบุไว้ในตารางด้านข้างของคอนแทคเตอร์ นอกจากนี้ คอนแทคเตอร์ 4P ยังแสดงค่าพิกัดมอเตอร์ AC-3 และ HP อีกด้วย คอนแทคเตอร์เหล่านี้มีให้เลือกใช้สำหรับโหลดสองประเภท:

• AC-1 – ใช้กับโหลด AC ที่มีค่าตัวประกอบกำลังมากกว่า 0.95 โดยหลักแล้ว สิ่งเหล่านี้เป็นโหลดที่ไม่เหนี่ยวนำหรือมีความเหนี่ยวนำเล็กน้อย เช่น โหลดต้านทาน การทำลายอาร์คจะทำให้เกิดการอาร์คและการสึกหรอหน้าสัมผัสน้อยที่สุด
• AC-3 – ใช้กับมอเตอร์กรงกระรอกที่มีการตัดระหว่างการทำงานปกติของมอเตอร์ เมื่อปิดแล้ว จะมีกระแสไฟกระชากสูงถึง 7 เท่าของกระแสไฟโหลดเต็มที่ของมอเตอร์ เมื่อเปิด คอนแทคเตอร์จะตัดกระแสไฟฟ้าโหลดเต็มที่ตามที่กำหนดของมอเตอร์

คอนแทคเตอร์ TeSys Giga สามารถจ่ายไฟด้วยแรงดันไฟกระแสสลับ (AC) หรือกระแสตรง (DC) และมีระบบป้องกันไฟกระชากในตัว ซึ่งคอนแทคเตอร์มี 2 รุ่น คือ รุ่นมาตรฐาน และรุ่นขั้นสูง คอนแทคเตอร์มาตรฐานได้รับการออกแบบมาสำหรับการใช้งานทั่วไป ตัวอย่าง ได้แก่:

• LC1G1154LSEN, 4P สำหรับโหลด AC-1 มีค่าพิกัดกระแสไฟฟ้า 250 A ด้วยคอยล์แบนด์กว้าง 200-500 V AC/DC
• LC1G225KUEN, 3P สำหรับโหลด AC-3 มีค่าพิกัดกระแสไฟฟ้า 225 A พร้อมคอยล์ 100-250 V AC/DC

คอนแทคเตอร์ TeSys Giga ขั้นสูงมีคุณลักษณะเพิ่มเติม เช่น การเลือกแรงดันไฟฟ้าคอยล์ได้มากขึ้น กินไฟคอยล์น้อยลง อินพุตของตัวควบคุมลอจิกที่ตั้งโปรแกรมได้ (PLC) และการออกแบบสายเคเบิลที่ทำให้สามารถบำรุงรักษาได้โดยไม่ต้องถอดสายเคเบิลหรือการเชื่อมต่อบัสบาร์

รุ่นขั้นสูงยังเข้ากันได้กับโมดูล Remote Wear Diagnosis (RWD) เสริมตามที่กล่าวถึงในหัวข้อถัดไปอีกด้วย ตัวอย่างของคอนแทคเตอร์ขั้นสูง ได้แก่:

• LC1G115BEEA, 3P สำหรับโหลด AC-3 มีพิกัดที่ 115 A พร้อมคอยล์ 24-48 V AC/DC
• LC1G800EHEA, 3P สำหรับโหลด AC-3 มีพิกัดที่ 800 A ด้วยคอยล์ 48-130 V AC/DC

คอนแทคเตอร์ TeSys Giga ทั้งหมดมีไฟ LED แสดงการวินิจฉัยที่แผงด้านหน้าเพื่อประเมินสภาวะความผิดพลาดได้อย่างรวดเร็ว (รูปที่ 4)

รูปที่ 2: คอนแทคเตอร์ TeSys Giga ทั่วไปที่แสดงไฟ Diagnosis LED ที่ตรงกลางด้านบนของเครื่อง (แหล่งที่มาของภาพ: DigiKey)

คอนแทคเตอร์ TeSys Giga มีฟังก์ชันการวินิจฉัยแบบบูรณาการหลายอย่างเพื่อปรับปรุงความน่าเชื่อถือและรองรับการบำรุงรักษาเชิงป้องกัน รวมถึง:

การวินิจฉัยการสึกหรอของหน้าสัมผัสและ RWD

หน้าสัมผัสจะสึกหรอทุกครั้งที่มีการตัดกระแสไฟในวงจรไฟฟ้า ความเสียหายของหน้าสัมผัสส่งผลให้เกิดการสูญเสียการควบคุมมอเตอร์ โดยอัลกอริทึมการสึกหรอของการสัมผัสในตัวควบคุม TeSys Giga จะคำนวณอายุการใช้งานที่เหลือของหน้าสัมผัสอย่างต่อเนื่อง เมื่ออายุการใช้งานที่เหลือต่ำกว่า 15% จะมีการแจ้งเตือนเพื่อให้สามารถกำหนดตารางการบำรุงรักษาเชิงป้องกันได้:

• การแจ้งเตือนในพื้นที่สามารถมองเห็นได้จากไฟ Diagnosis LED ที่ด้านหน้าของคอนแทคเตอร์
• สามารถใช้โมดูล RWD เสริมร่วมกับคอนแทคเตอร์ขั้นสูงได้

การวินิจฉัยแรงดันไฟฟ้าควบคุม

ตัวควบคุมแรงดันไฟจะตรวจสอบสภาวะแรงดันไฟต่ำและแรงดันไฟเกิน ข้อบ่งชี้การวินิจฉัยสามารถเข้าถึงได้จากระยะไกลในหน่วยที่มีหมายเลขชิ้นส่วนลงท้ายด้วย LSEMC โดยใช้โมดูลการจัดการอุปกรณ์ระยะไกล (RDM) โดยแรงดันไฟต่ำหมายถึงแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่า 80% ของค่ากำหนดขั้นต่ำ และแรงดันไฟเกินหมายถึงมากกว่า 110% ของค่าสูงสุด

การวินิจฉัยการทำงานภายใน

ไฟ Diagnosis LED กะพริบอย่างต่อเนื่องบ่งบอกถึงความผิดปกติภายในของวงจรควบคุม

อุปกรณ์สวิตชิ่งป้องกันมอเตอร์

การควบคุมมอเตอร์อัจฉริยะเช่นคอนแทคเตอร์ TeSys Giga เป็นส่วนสำคัญของการติดตั้งอุตสาหกรรม 4.0 การใช้ MPSD ยังถือเป็นสิ่งสำคัญเพื่อให้มั่นใจถึงผลผลิตและความพร้อมใช้งานสูงสุด

ใน IEC 60947-4-1 MPSD หมายถึงอุปกรณ์ที่ได้รับการออกแบบมาพร้อมความล่าช้าเพื่อป้องกันมอเตอร์จากสภาวะโอเวอร์โหลด โดยอุปกรณ์ประเภทที่สอง คือ IMPSD ซึ่งเป็น MPSD ประเภทเฉพาะที่จะทำงานทันทีเมื่อตรวจพบว่ามีการโหลดเกิน IMPSD โดยทั่วไปจะไม่เกี่ยวข้องกับการป้องกันมอเตอร์ AC

การสตาร์ทมอเตอร์อาจใช้เวลาไม่กี่วินาทีหรือหลายสิบวินาที ขึ้นอยู่กับการใช้งาน จะต้องระบุ MPSD เพื่อตอบสนองข้อกำหนดการใช้งานด้านความปลอดภัยโดยหลีกเลี่ยงการตัดวงจรแบบไม่จำเป็น

เพื่อตอบสนองความต้องการใช้งานเฉพาะ IEC 60947-4-1 กำหนดรีเลย์โอเวอร์โหลดหลายคลาส คลาสทริประบุระยะเวลาสูงสุดที่ใช้ในการเปิดรีเลย์เมื่อมีการโอเวอร์โหลด

นอกจากนี้ยังมีความแตกต่างระหว่างคลาสทริปของอเมริกาเหนือและ IEC อีกด้วย ตัวอย่างเช่น คลาส 10 เป็นคลาสทริปของอเมริกาเหนือที่ทริปโอเวอร์โหลดภายใน 4-10 วินาทีหลังจากตรวจจับค่ากระแสไฟโอเวอร์โหลด 600% ของการตั้งค่า คลาส 10A เป็นคลาสทริป IEC ที่จะทริปโอเวอร์โหลดภายใน 2-10 วินาทีหลังจากตรวจจับได้ถึง 720% ของการตั้งค่ากระแสไฟโอเวอร์โหลด (ตารางที่ 1)

ตารางที่ 1: ตัวอย่างของคลาสรีเลย์โอเวอร์โหลดจากความร้อนตามกระแสไฟฟ้าที่กำหนด (Ir) (แหล่งที่มาตาราง: Schneider Electric)

คลาสทริป 10A และ 10 เหมาะสำหรับมอเตอร์ที่ใช้งานปกติ คลาส 20 แนะนำสำหรับมอเตอร์ที่ใช้งานหนัก เพื่อหลีกเลี่ยงการตัดวงจรแบบไม่จำเป็น โดยคลาส 30 ใช้กับมอเตอร์ที่สตาร์ทนานมาก

รีเลย์โอเวอร์โหลด TeSys Giga

รีเลย์โอเวอร์โหลดความร้อน TeSys Giga มีความยืดหยุ่นสูงและได้รับการออกแบบมาเพื่อใช้กับมอเตอร์ AC การตั้งค่าสำหรับการป้องกันไฟรั่ว, การป้องกันเฟสไม่สมดุล และคลาสทริป (5, 10, 20 และ 30) สามารถกำหนดค่าได้ที่แผงด้านหน้า แผงด้านหน้ายังรวมถึงไฟ LED แสดงสัญญาณเตือนและสถานะอีกด้วย มีช่วงการป้องกันความร้อนเกินที่ปรับได้กว้างซึ่งช่วยให้รุ่นที่ทับซ้อนกันสี่รุ่นสามารถจัดการกับการใช้งานตั้งแต่ 28 A ถึง 630 A ได้ (รูปที่ 3):

LR9G115, ปรับได้ตั้งแต่ 28 ถึง 115 A

LR9G225, ปรับได้ตั้งแต่ 57 ถึง 225 A

LR9G500, ปรับได้ตั้งแต่ 125 ถึง 500 A

LR9G630, ปรับได้ตั้งแต่ 160 ถึง 630 A

รูปที่ 3: แผงด้านหน้าของรีเลย์โอเวอร์โหลด TeSys Giga มีไฟ LED แสดงสถานะและการปรับการป้องกัน (แหล่งที่มาของภาพ: DigiKey)

โอเวอร์โหลดจากความร้อน

การป้องกันการโอเวอร์โหลดจากความร้อนใช้กับมอเตอร์แบบอะซิงโครนัสเฟสเดียวและสามเฟส ระดับกระแสไฟสำหรับการป้องกันไฟเกินความร้อนสามารถปรับเปลี่ยนได้ตามรุ่นของรีเลย์ไฟเกินที่ใช้งานอยู่ นอกจากนี้ ยังสามารถปรับคลาสทริปและความล่าช้าที่เกี่ยวข้องได้ สามารถตั้งค่าการป้องกันการโอเวอร์โหลดจากความร้อนให้รีเซ็ตอัตโนมัติหรือด้วยตนเองได้

การสูญเสียเฟส

การป้องกันการสูญเสียเฟสใช้เพื่อป้องกันมอเตอร์อะซิงโครนัสสามเฟสไม่ให้ร้อนเกินไป รีเลย์โอเวอร์โหลดจะตรวจสอบกระแสไฟฟ้าในแต่ละเฟสอย่างต่อเนื่อง เมื่อค่ากระแสไฟฟ้าในเฟสหนึ่งต่ำกว่า 0.1 ของกระแสไฟฟ้าที่กำหนด (Ir) และค่ากระแสไฟฟ้าในเฟสอื่นมากกว่า 0.8 Ir รีเลย์โอเวอร์โหลดจะทำงานภายใน 4 ±1 วินาที การป้องกันการสูญเสียเฟสไม่สามารถปิดการใช้งานได้และจะต้องรีเซ็ตด้วยตนเอง

ความไม่สมดุลของเฟส

ความไม่สมดุลของเฟสทำให้มอเตอร์อะซิงโครนัสร้อนเกินไป สาเหตุทั่วไป ได้แก่:

• สายส่งหลักยาว
• หน้าสัมผัสของสวิตช์อินคัมเมอร์ที่เสียหาย
• เครือข่ายไม่สมดุล

เมื่ออัตราส่วนความไม่สมดุลเกิน 40% รีเลย์โอเวอร์โหลดจะทำงานใน 5 ±1 วินาที การป้องกันความไม่สมดุลของเฟสจะต้องรีเซ็ตด้วยตนเอง

ความผิดพลาดของกราวด์

การป้องกันไฟรั่วใช้เพื่อป้องกันมอเตอร์อะซิงโครนัสสามเฟส ความผิดปกติของกราวด์จะเกิดขึ้นเมื่อฉนวนบนวงจรโหลดไม่มีประสิทธิภาพเนื่องจากการสั่นสะเทือน ความชื้น หรือปัจจัยอื่นๆ รีเลย์โอเวอร์โหลดจะตรวจสอบกระแสไฟกราวด์ (Ig) เมื่อ Ig เกิน 10% ของ Ir รีเลย์จะทำงานใน 1 ±0.2 วินาที การป้องกันไฟรั่วกราวด์จะต้องรีเซ็ตด้วยตนเอง

โมดูลาร์

การออกแบบแบบโมดูลาร์ของคอนแทคเตอร์ TeSys Giga นั้นอาจมีประโยชน์อย่างยิ่งหากเกิดการสึกหรอของหน้าสัมผัสมากเกินไป หรือหากมีการโอเวอร์โหลดหรือสภาวะการทำงานที่ผิดปกติอื่นๆ ส่งผลให้ตัวควบคุมได้รับความเสียหาย นอกจากนี้ สามารถเปลี่ยนโมดูลควบคุมเพื่อให้เหมาะกับแรงดันไฟคอยล์ที่แตกต่างกันได้ และสามารถเปลี่ยนโมดูลสวิตชิ่งเพื่อเปลี่ยนขั้วที่สึกหรอได้

ฟังก์ชันหน่วยความจำสายเคเบิลสามารถนำไปใช้กับชุดอุปกรณ์เสริมเพื่ออำนวยความสะดวกในการบำรุงรักษาอย่างรวดเร็ว เมื่อติดตั้งแล้ว สามารถเปลี่ยนโมดูลควบคุมหรือสวิตช์ได้อย่างรวดเร็วโดยไม่ต้องถอดสายเคเบิลออก

การย้อนกลับ

คอนแทคเตอร์ย้อนกลับสำหรับเปลี่ยนทิศทางการหมุนของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับในการใช้งานต่าง ๆ เช่น สายพานลำเลียง ลิฟต์ และการบรรจุหีบห่อ ซึ่งทำงานโดยการย้อนขั้วของการเชื่อมต่อ ทำให้มอเตอร์หมุนไปในทิศทางตรงข้าม

สามารถสร้างคอนแทคเตอร์แบบย้อนกลับได้โดยใช้คอนแทคเตอร์มาตรฐานที่ล็อกกันทางกลไกสองตัว ระบบล็อคจะป้องกันไม่ให้คอนแทคเตอร์เปิดพร้อมกัน (รูปที่ 6)

รูปที่ 4: คอนแทคเตอร์ TeSys Giga สองตัวเชื่อมต่อกันเพื่อสร้างคอนแทคเตอร์แบบย้อนกลับสำหรับมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ (แหล่งที่มาภาพ: Schneider Electric)

ตัวอย่างเช่น ส่วนประกอบต่อไปนี้สามารถใช้ในการสร้างคอนแทคเตอร์ย้อนกลับได้สำหรับ 200 แรงม้าที่ 460 โวลต์พร้อมคอยล์ 100-250 โวลต์ AC/DC (รูปที่ 6):

• LC1G265KUEN, ตัวควบคุมมอเตอร์ TeSys Giga ต้องใช้สองตัว
• DZ2FJ6, ชุดยึดคอนแทคเตอร์
• LA9G3612 , ตัวกระจาย
• LA9G3761 , บาร์ย้อนกลับ
• LA9G970 , ระบบล็อคแบบกลไก

สรุป

คอนแทคเตอร์และรีเลย์โอเวอร์โหลด TeSys Giga เป็นอุปกรณ์ที่มีความอเนกประสงค์สูงที่สามารถเพิ่มความยืดหยุ่นและเวลาทำงานสูงสุดในการใช้งานที่หลากหลาย คอนแทคเตอร์มีพิกัดตั้งแต่ 115 ถึง 900 A ในรูปแบบ 3P และ 4P มี SCCR สูงถึง 100 kA 480 V และการออกแบบแบบโมดูลาร์ทำให้การบำรุงรักษามีความเร็วในการรวดเร็ว

รีเลย์โอเวอร์โหลดแบบตั้งโปรแกรมได้มีช่วงกระแสไฟฟ้าทำงานที่กว้าง ช่วยให้มีอุปกรณ์จำนวนลดลงเพื่อตอบสนองความต้องการของการใช้งานต่างๆ ได้มากมาย ในที่สุด การควบคุมการเคลื่อนไหวแบบสองทิศทางก็สามารถทำได้โดยเชื่อมต่อคอนแทคเตอร์ TeSys Giga สองตัวเข้ากับระบบอินเตอร์ล็อคเชิงกล