Zabezpieczenie przez

porównanie przesuniêæ

faz wzglêdem siebie.

Nowe polskie urz¹dzenie.

O

publikowaliœmy ju¿ sporo opi-

sów elektronicznych uk³adów

zabezpieczaj¹cych silniki trój-

fazowe przed skutkami zaniku

jednej fazy. Tu mamy jeszcze jeden uk³ad,

rozwi¹zanie na pewno nowe, bo opatentowa-

ne.

Dostêpne na rynku urz¹dzenia zabezpie-

czaj¹ce to:

q

podstawowe zabezpieczenia przeci¹¿enio-

we, jak wy³¹czniki termiczne w obwodzie

zasilania oraz zabezpieczenia dzia³aj¹ce

na podstawie pomiaru temperatury uzwo-

jeñ silnika;

q

zabezpieczenia uzupe³niaj¹ce, które nie

dopuszczaj¹ do przeci¹¿enia silnika przez

wykrycie stanu zasilania gro¿¹cego jego

uszkodzeniem, np. braku którejœ z faz; s¹ to

obecnie z regu³y ró¿ne rozwi¹zania elektro-

niczne.

Podstawowe urz¹dzenie zabezpieczaj¹ce

wy³¹cza zasilanie dopiero po mocnym na-

grzaniu siê uzwojenia stojana. Silnik wpraw-

dzie siê nie spali, ale przegrzeje a potem

ostygnie, lecz ka¿dy taki cykl zmniejsza je-

go trwa³oœæ. Wiêcej: zabezpieczenie ter-

miczne nie odró¿nia wzrostu pobieranej mo-

cy, spowodowanego awari¹ niesieciow¹

(np. nadmierne obci¹¿enie) od awarii siecio-

wej (np. zanik fazy) – dla niego oba „wygl¹-

daj¹” tak samo. To wszystko dzia³a przewi-

dywalnie, kiedy zabezpieczany jest silnik

du¿ej mocy, ale gorzej kiedy w ten sposób

jest zabezpieczony silnik ma³ej mocy, pod

czym rozumiemy silnik 1 kW lub mniejszy.

Jego pr¹d w stanie zatrzymanym niewiele

siê ró¿ni od pr¹du w stanie normalnej pracy

i jedyny sposób to sta³e kontrolowanie uk³a-

dem termistorowym temperatury jego uzwo-

jeñ, jeœli oczywiœcie w uzwojeniu s¹ zainsta-

lowane termistory. W przypadku, gdy silnik

by³ ju¿ przezwajany, na pewno ju¿ tych

termistorów nie ma.

22

NOWY SPOSÓB

ZABEZPIECZANIA

SILNIKÓW

TRÓJFAZOWYCH

r

ELEKTRO

NIKA W PRZEMYŒLE i LABORATORIACH

Podstawowe zabezpieczenie silnika trzeba

wiêc uzupe³niæ takim, które szybko zareagu-

je na wszelkie stany sieci powoduj¹ce niepra-

wid³ow¹ pracê silnika.

Pomiar napiêcia, stosowany do wykrycia za-

niku napiêcia jednej fazy, wska¿e w³aœciwy

stan tylko wtedy, kiedy zanik nast¹pi³ przy

niepracuj¹cym silniku (i tak zreszt¹ nie ru-

szy przy braku fazy). Nie wskazuje tego sta-

nu, jeœli w chwili zaniku silnik ju¿ pracuje, bo

w uzwojeniu indukuje siê wtedy napiêcie

(„sztuczna faza”), czêsto przekraczaj¹ce na-

wet napiêcie fazy prawid³owej. Jest to np.

195 V, kiedy norma dopuszcza spadek napiê-

cia jednej fazy do 180 V. Lepszym rozwi¹za-

niem jest czujnik asymetrii reaguj¹cy na we-

ktorow¹ sumê napiêæ wszystkich faz, ale te¿

nie umo¿liwiaj¹cy okreœlenia przyczyny po-

wstania tej asymetrii. A to ma podstawowe

znaczenie dla pewnoœci dzia³ania. Wystêpo-

wanie „sztucznej fazy” powoduje i tutaj, ¿e nie

ma takiego zakresu napiêcia, który odpowia-

da³by tylko i wy³¹cznie zanikowi fazy. I jak tu

regulowaæ czujnik? Jakby nie ustawiæ, to al-

bo pojawi¹ siê alarmy spowodowane przez

zgodne z norm¹ spadki napiêcia zasilaj¹ce-

go, albo silnik bêdzie siê przegrzewa³. A im

wiêkszy silnik, tym gorzej, bo tym bardziej

zakresy napiêæ faz „sztucznej” i „prawid³o-

wej” zbli¿aj¹ siê do siebie. I tym dro¿ej, bo ³a-

twiej spaliæ du¿y silnik.

Nale¿y przede wszystkim pamiêtaæ, ¿e induk-

cyjny silnik trójfazowy jest bardzo wra¿liwy na

wzajemny uk³ad faz a mniej wra¿liwy na do-

puszczalne zmiany napiêcia jednej z faz –

czyli wprost przeciwnie ni¿ u¿ywany po-

wszechnie czujnik asymetrii faz. Bardzo wa¿-

ne dla silnika s¹ wzajemne przesuniêcia faz

w sieci (przesuniêcia nominalne to 0

o

,

120

o

i 240

o

). OpóŸnienie jednej z faz o ok.

8%, czyli o wartoœæ równ¹ poœlizgowi prêd-

koœci wirowania obci¹¿onego silnika, jest

jednoznaczne z pojawieniem siê napiêcia

skierowanego przeciwnie ni¿ napiêcie zasi-

lania danej fazy. Oba napiêcia dodaj¹ siê

do siebie w przeciwnych fazach. Silnik pra-

cuje wtedy jak pr¹dnica, która wzbudza

„sztuczn¹ fazê” o amplitudzie zbli¿onej do na-

piêcia sieci, a przy 8% poœlizgu _ opóŸnion¹

wzglêdem napiêcia sieci o jedn¹ trzeci¹ 8%

od pe³nych 360

o

, czyli o 9,6

o

. Takie opóŸnie-

nie fazy napiêcia zasilaj¹cego silnik, który ju¿

pracuje z 8% poœlizgiem, daje taki sam efekt

jak pe³ny zanik fazy, a napiêcie indukowane

w uzwojeniu zasila inne odbiorniki energii

pod³¹czone do tej fazy. U¿ytkownik silnika

dofinansowuje innych.

Dla wyjaœnienia: 5% poœlizg silnika ozna-

cza, ¿e w czasie jednego okresu (zmiany fa-

zy o 360

o

) wirnik nie wykona pe³nego obro-

tu, ale obróci siê o 18

o

mniej. Ka¿da z jedna-

kowych faz opóŸni siê zatem o 18

o

: 3 = 6

o

.

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 8/2001

Uk³ad

wejœciowy

Wzorzec

sieci idealnej

Komparator

fazy

Uk³ad

czasowy

ok. 0,17 ms

LED

Uk³ad

czasowy

ok. 1 s

Praca
Alarm

Wejœcie

L1
L2
L3

Rys. 1.
Schemat
blokowy
kontrolera
KF3-S

Rys. 3.
Kontroler KF3-S

zmienia kolor œwiecenia na zielony, jeœli coœ

jest Ÿle – pozostaje kolor czerwony, a prze-

kaŸnik zwiera zestyki „wejœcie” i „alarm”.

Kontroler reaguje na opóŸnienie dowolnej

fazy przekraczaj¹ce ustawion¹ wartoœæ pro-

gow¹ 3

o

, brak napiêcia dowolnej fazy oraz

doprowadzenie tej samej fazy do wiêcej ni¿

jednego z wejϾ L1. L2, L3. Nie reaguje na

nieistotne dla silnika zmiany napiêcia faz

w dowolnej konfiguracji, zmiany pr¹du lub

mocy pobieranej w kontrolowanym obwo-

dzie oraz na kolejnoϾ faz.

Podczas ponad czteroletniej eksploatacji

KF3-S ¿aden zabezpieczany silnik nie uleg³

awarii choæ w okolicy (ta sama sieæ) wystê-

powa³y awarie silników zabezpieczanych in-

aczej. Dwa uszkodzenia KF3-S zosta³y spo-

wodowane zwarciem w sterowanym obwo-

dzie, którego nie zabezpieczono dodatko-

wym bezpiecznikiem.

Interesuj¹ce bêdzie porównanie reakcji ró¿-

nych rozwi¹zañ zabezpieczeñ trójfazowych

silników indukcyjnych na zanik fazy – patrz ta-

blica. Kolorem czerwonym oznaczono ob-

szary wadliwej pracy czujników, kolorem po-

marañczowym – obszary niepewnej pracy

czujników a ¿ó³tym – obszary pewnego za-

dzia³ania lub niezadzia³ania.

Wygl¹d kontrolera KF3-S jest przedstawiony

na rys. 3. Jest wykonany w plastykowej obu-

dowie o stopniu ochrony IP20 i szerokoœci 2

modu³y, mocowanej na 35 mm szynie mon-

ta¿owej. W³asny pobór pr¹du z sieci wynosi

20 mA, zakres temperatur pracy 0

÷

55

o

C.

Warto pamiêtaæ, ¿e kontroler nadzoruje stan

sieci w miejscu, gdzie jest pod³¹czony. Awa-

ria wystêpuj¹ca miêdzy kontrolerem a silni-

kiem nie spowoduje zadzia³ania kontrolera!

Najlepiej pod³¹czaæ go przy silniku. Wspó³pra-

cuj¹c z odpowiednio dobranym wy³¹czni-

kiem termicznym, KF3-S tworzy wtedy ze-

staw nie dubluj¹cych siê zabezpieczeñ w pe³-

ni chroni¹cych silnik. Dla silnika ma³ej mocy,

gdzie nie stosuje siê wy³¹cznika termiczne-

go, jest niezawodnym zabezpieczeniem pod-

stawowym.

n

Miros³aw Piórowicz,

Leon Kossobudzki

Gdyby jedna z faz (np. w linii L2, rys. 2) za-

nik³a, uk³ad faz by³by nastêpuj¹cy:

(L1 - L2)

→

(od 0

o

do 114

o

), czyli 114

o

(L2 - L3)

→

(od 114

o

do 240

o

), czyli 126

o

(L3 - L1)

→

(od 240

o

do 360

o

), czyli 120

o

Silnik pracuj¹cy np. z poœlizgiem 2,5% wytwo-

rzy „sztuczn¹ fazê” opóŸnion¹ o 3

o

a z poœli-

zgiem 10% _ opóŸnion¹ o 12

o

.

Znaczne czêsto opóŸnienia faz w sieci wyni-

kaj¹ najprawdopodobniej z indukcyjnoœci linii

zasilaj¹cych i charakteru obci¹¿eñ poszczegól-

nych faz. Z pomiarów wiadomo, ¿e na tere-

nach wiejskich (d³ugie linie!) opóŸnienia s¹

wiêksze (np. od 2

o

do 7

o

dla poszczegól-

nych faz) i potrafi¹ byæ przyczyn¹ wielu w in-

ny sposób niewyt³umaczalnych awarii silni-

ków oraz problemów z ich zabezpieczaniem

(prawid³owo ustawione zabezpieczenia nie

wiadomo dlaczego wy³¹czaj¹). Norm na to

nie ma, wiêc nie ma gdzie reklamowaæ i trze-

ba sobie radziæ samemu.

Inne ni¿ nominalne przesuniêcia faz powodu-

j¹, ¿e pole magnetyczne w stojanie ma dwie

sk³adowe wiruj¹ce – jedn¹ zgodnie z kie-

runkiem wirowania a drug¹ przeciwnie do

kierunku wirowania. Ich nak³adanie siê powo-

duje nierównomiern¹ pracê silnika (szarpa-

nie, buczenie, spadek mocy i sprawnoœci,

silne grzanie siê). Awaria jest kwesti¹ minut

od wyst¹pienia du¿ego poœlizgu, tymcza-

sem przy dopuszczalnym normami spadku

napiêcia jednej z faz w wyniku niesymetrycz-

nego obci¹¿enia odbiornikami jednofazowy-

mi silnik pracuje bez zak³óceñ.

23

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 8/2001

Kontroler KF3-S

Nasuwa siê wiêc wniosek, ¿e najlepszym

sposobem uzyskiwania informacji o stanie za-

silania silnika jest kontrolowanie faz. Na tej

zasadzie dzia³a kontroler faz KF3-S opra-

cowany, opatentowany (P-334044) i produ-

kowany przez krajow¹ firmê PPHU M. Pióro-

wicz. Schemat blokowy kontrolera jest przed-

stawiony na rys. 1, a jego schemat aplikacyj-

ny w uk³adzie zasilania sprê¿arki lub hydro-

foru (bez podtrzymania stanu stycznika) na

rys. 2. Napiêcia poszczególnych faz s¹ prze-

twarzane na sygna³ cyfrowy i porównywane

w wewnêtrznym komparatorze fazy z wzor-

cem prawid³owej sieci (pêtla PLL), synchro-

nizowanym z faz¹ kontrolowanego obwodu.

Wynik porównania zale¿y od stopnia asy-

metrii rozmieszczenia wektorów napiêæ tych

faz wzglêdem siebie. Zaprogramowana stre-

fa nieczu³oœci (ok.

±

3

o

, mniej ni¿ znamio-

nowy poœlizg nawet najwiêkszych silników)

zapewnia maksymaln¹ czu³oœæ uk³adu przy

wysokiej odpornoœci na zak³ócenia impul-

sowe. Przy symetrii faz silnik otrzymuje za-

silanie i œwieci zielona LED sygnalizuj¹ca

stan normalny. Powstaj¹cy przy asymetrii

faz sygna³ b³êdu zaœwieca czerwon¹ LED.

Jeœli b³¹d utrzymuje siê d³u¿ej ni¿ 1 s, urucha-

mia siê przekaŸnik wyjœciowy prze³¹czaj¹cy

tryb pracy na alarm i steruj¹cy dowolne urz¹-

dzenie zewnêtrzne, np. stycznik, wy³¹czaj¹-

ce zasilanie silnika, generuj¹ce sygna³ aku-

styczny itd. Zanik stanu b³êdu prze³¹cza po

ok. 1 s uk³ad ze stanu „alarm” na stan „pra-

ca”. Krótkie czerwone b³yski zielono œwiec¹-

cej LED sygnalizuj¹ niegroŸne zak³ócenia

impulsowe w sieci, krótkie zielone b³yski

czerwono œwiec¹cej LED – inn¹ awariê

sieci, np. zwarcie miêdzyfazowe lub brak

napiêcia.

W³¹czenie napiêcia zasilaj¹cego (L1 i N) po-

woduje po czasie nie przekraczaj¹cym 0,2

s w³¹czenie uk³adu elektronicznego i prze³¹-

czenie przekaŸnika w stan ”praca”. Jednocze-

œnie rozpoczyna siê trwaj¹cy ok. 1 s proces

badania stanu sieci, sygnalizowany czerwo-

n¹ LED. Stwierdzenie stanu prawid³owego

Rodzaj

Brak

3-fazowe

Obci¹¿enie

Silnik

Obni¿enie

Silnik

czujnika

napiêcia

obci¹¿enie

mieszane

obci¹¿ony

napiêcia fazy

nieobci¹¿ony

w uszkodzonej

rezystancyjne

(jednofazowe +

(poœlizg

bez awarii

(poœlizg

fazie

lub zatrzymany

obci¹¿ony

>3%).

(dopuszczalne

poni¿ej

silnik

silnik)

Prawie

normami)

3%). Prawie

Pe³ne napiêcie,

Napiêcie od 0 do 230 V

pe³ne napiêcie

do 180

o

bez

pe³ne napiêcie

faza przesu-

Opó¿nienie fazy

i opó¿nienie

przesuniêcia fazy

i faza wynikaj¹ca

niêta o 180

o

wiêksze od

fazy wynikaj¹ce

z poœlizgu

wynikaj¹cego z

z poœlizgu silnika

silnika od 0

o

do 3

o

Czujnik napiêcia

Zareaguje

Nie zareaguje

Prawdopodobnie zareaguje

Nie zareaguje

Nie zareaguje

Nie zareaguje

Czujnik asymetrii

Zareaguje

Zareaguje

Prawdopodobnie zareaguje

Nie zareaguje

Zareaguje

Nie zareaguje

Kontroler KF3-S

Zareaguje

Zareaguje

Zareaguje

Zareaguje

Nie zareaguje

Nie zareaguje

Rys. 2. Zastosowanie kontrolera KF3-S

do zabezpieczenia sprê¿arki

Reakcje ró¿nych czujników w razie zaniku fazy