Наблюдая за SIRIUS: полупроводниковые устройства силовой коммутации от компании Siemens

25 ноября 2013

SIEMENSстатьяПромавтоматика

 

логотип

 

Еще сравнительно недавно мощные электродвигатели, используемые на промышленном производстве, подключались к питающей сети посредством обычных пакетных выключателей-автоматов. Разумеется, при таком варианте включения не учитывались ни разность фазовых напряжений, ни нагрузка на двигатель в момент пуска, ни, тем более, конструктивные особенности самого двигателя. Банальный обрыв одной из фаз зачастую приводил к токовой перегрузке оставшихся обмоток и неизбежному дорогостоящему ремонту всего двигателя и оборачивался значительными убытками, связанными с простоем производства. Спрос на безотказную эксплуатацию мощных электродвигателей привел к созданию устройств особого класса, к которому относятся мощные классические и полупроводниковые контакторы, а также устройства плавного пуска.

Контакторы SIRIUS 3RT:
гибкий подход как залог успеха

Изготовленный в начале нынешнего века обычный трехфазный контактор являл собой простое устройство, состоящее из нескольких групп контактов и электромагнитного расцепителя. Такими аппаратами коммутировалась вся возможная нагрузка того времени — от осветительной сети до электродвигателей токарного цеха. За прошедшее время изменилось многое, в первую очередь — сам подход к проблеме коммутации нагруженных цепей. Поскольку различные типы нагрузки имеют разный характер переходных процессов при коммутации, специалистами компании Siemens были разработаны переключающие устройства, наиболее полно подходящие к определенным условиям эксплуатации.

Семейство контакторов Sirius 3RT производства компании Siemens, выполненное в стандартных типоразмерах S00…S12, предназначено для безопасной и надежной коммутации активной и реактивной нагрузки мощностью до 250 кВт. Состав линейки включает трех- и четырехполюсные модели, варианты для постоянного тока, а также вакуумные контакторы для специальных применений. Серию выгодно отличает:

  • пригодность для компактных электрошкафов с высокой плотностью монтажа;
  • удобство использования, простота наращивания, однотипные аксессуары;
  • высокая прочность и надежность контактов, длительный срок службы;
  • полная согласованность с другими компонентами модульной системы Sirius;
  • опционально подключаемый ограничитель перенапряжения (RC-цепь, варистор, диодная сборка);
  • возможность подключения коммуникационного интерфейса управления IO-Link.

Благодаря модульной конструкции появляется возможность быстро создавать при помощи различных навесных компонентов (рисунок 1) уникальные по своим функциональным возможностям сочетания опций в соответствии с требуемыми функциями. Например, добавленное тепловое или токовое реле перегрузки обезопасит подключенный в качестве нагрузки двигатель от предельных режимов работы. Благодаря этому достигается гибкая адаптация контакторов под любые производственные условия.

Навесные принадлежности существенно расширяют эксплуатационные возможности контакторов

 

Рис. 1. Навесные принадлежности существенно расширяют эксплуатационные возможности контакторов

Основу линейки 3RT представляют модели диапазона 3RT101…3RT104, отличающиеся, главным образом, величиной коммутируемого тока и вариантом исполнения. Так, вписанные в компактный типоразмер (S00 и S0) контакторы 3RT101 и 3RT102 (рисунок 2) способны коммутировать индуктивную нагрузку12…25 А, а несколько большие по габаритам 3RT103 и 3RT104 (S2 и S3) расширяют диапазон применения уже до 50…100 А.

Контактор 3RT101 в типоразмере S00 и более мощный 3RT102 в исполнении S0

 

Рис. 2. Контактор 3RT101 в типоразмере S00 и более мощный 3RT102 в исполнении S0

Особое место в линейке занимают вакуумные контакторы 3RT12 (рисунок 3), которые, в силу своей конструкции, исключают образование электрической дуги при размыкании контактов и поэтому могут быть с успехом применены для управления мощными силовыми электродвигателями с пусковым током до 500 А. Кроме того, они, по сравнению с обычными воздушными моделями, имеют повышенный электрический ресурс.

Контактор 3RT12 в исполнении S10...S12 с рабочим током до 500 А для тяжелых условий эксплуатации

 

Рис. 3. Контактор 3RT12 в исполнении S10…S12 с рабочим током до 500 А для тяжелых условий эксплуатации

Как известно, общая надежность какого-либо устройства напрямую зависит от надежности «слабого звена» — наименее надежного узла или элемента. Применительно к контакторам таким элементом, несомненно, являются сами контакты. Склонные к обгоранию при коммутации больших токов, они имеют пусть большой, но все же конечный ресурс эксплуатации. Поэтому вовремя проведенная замена контактов — залог безотказной работы оборудования. Однако зачастую оценить состояние контактов, находящихся внутри закрытого контактора, можно лишь по косвенным признакам, а то и вовсе невозможно. Плановая замена тоже не всегда эффективна, поскольку заменяемые по графику элементы могут оказаться еще во вполне работоспособном состоянии или, что значительно хуже, выйдут из строя раньше проведения регламентных работ и смогут стать причиной аварийной ситуации.

Контакторы Sirius 3RT10 лишены этого недостатка. Конструкторами Siemens в них заложена уникальная технология RLT (Remaining life time) — индикация остаточного ресурса. Благодаря боковому электронному модулю осуществляется визуальное отображение состояния контактов на ступенчатом светодиодном индикаторе (рисунок 4). Причем представляемые данные основаны не на подсчете времени наработки или количестве циклов срабатывания-отпускания, а на фактической оценке обгорания каждого из контактов.

Технология RLT для визуальной оценки остаточного ресурса силовых контактов

 

Рис. 4. Технология RLT для визуальной оценки остаточного ресурса силовых контактов

К преимуществам технологии RLT относится:

  • сигнализация о достижении критичного остаточного ресурса (80% -износ материала контактов);
  • дополнительная цветовая визуальная индикация различных степеней обгорания;
  • оптимальное использование и своевременная замена контактов;
  • оптимизация мероприятий по техобслуживанию;
  • предотвращение незапланированных простоев оборудования.

Важно отметить, что информация о состоянии износа контактов не пропадает даже при снятии питающего напряжения, поэтому после их замены необходимо выполнить инициализацию устройства путем удержания в нажатом состоянии кнопки Reset в течение двух секунд.

Помимо прочего, серия 3RT10 уникальна тем, что относится к изделиям с электронным приводом. Питание катушки осуществляется от интегрированного электронного блока, обладающего достаточной для срабатывания контактора мощностью. Этим достигается более широкий по сравнению с традиционным подходом диапазон управляющего напряжения (200…277 В AC/DC) и, самое главное — невосприимчивость к кратковременному (до 25 мс) пропаданию питающего напряжения. Еще одно преимущество электронного привода — возможность управления контактором непосредственно с выходов ПЛК 24 В DC/≥ 30 мА (в соответствии с DINEN61131-2). Подключение осуществляется через двухконтактный штекерный разъем, входящий в комплект поставки.

«Изюминкой» серии 3RT, безусловно, является модификация 3RT1…-Q (рисунок 5), которую с полным правом можно отнести к переключающим устройствам интеллектуального типа.

Модификация 3RT1...-Q раскрывает широкие возможности для интеллектуального контроля локальных цепей

 

 

Рис. 5. Модификация 3RT1…-Q раскрывает широкие возможности для интеллектуального контроля локальных цепей

Помимо своих обычных функций, контакторы этой группы содержат интегрированный AS-интерфейс, входы и выходы которого выведены на 10-контактный штекерный разъем. Это позволяет организовать автоматическое управление через ПЛК или SIMOCODE/PROFIBUS DP. Цепи управления AS-i+ и AS-i, дублирующие друг друга, выведены на отдельный четырехконтактный штекер, причем при извлечении штекера линия AS-интерфейса не прерывается. В этом случае работа контактора координируется локальным устройством управления, имеющим собственный шестиконтактный разъем. Посредством AS-интерфейса системой управления могут быть получены разнообразные данные о рабочем состоянии контактора (включен/отключен), статусе типа управления (автоматическое/локальное), остаточном ресурсе контактов (RLT), а также о режиме сигнального входа, на который можно подключить различную сигнализацию, например — реле перегрузки.

Тише едешь — дальше будешь.
Устройства плавного пуска SIRIUS 3RW

К сожалению, какими бы «умными» не были промышленные контакторы, они не в силах повлиять на режимы работы коммутируемого двигателя в различных условиях его эксплуатации. Как известно, наиболее тяжелые перегрузки претерпевает двигатель в момент пуска в связи с неизбежными переходными процессами. Величина пусковых токов при этом во много раз превосходит номинальный рабочий ток нагруженного двигателя. И напротив, при отключении питающего напряжения на обмотках двигателя возникают значительные всплески ЭДС-самоиндукции, значительно превышающие нормальные значения по величине. Эти негативные факторы имеют тем большую величину, чем выше мощность коммутируемого двигателя, и, периодически повторяясь в связи с производственными циклами, способны в короткое время значительно снизить ресурс последнего ввиду нарушения изоляции, возникновения межвитковых замыканий и т.д.

Ранее с этими неприятностями боролись путем включения в конструкцию мощных двигателей специальных разгонных обмоток, которые раскручивали его вал до определенной скорости, а затем подавалось питание на рабочие обмотки. С появлением мощной силовой электроники выполнение защитных функций было возложено на различные электронные модули, в частности — пусковые устройства SIRIUS 3RW.

Семейство устройств плавного пуска SIRIUS 3RW (рисунок 6) предназначено для плавного пуска/торможения трехфазных асинхронных двигателей с номинальной мощностью до 250 кВт. Это задает обширную область их применения в качестве управления двигателями вентиляторов, насосов, строительного оборудования, эскалаторов, систем транспортировки, компрессоров, охладителей, а также разнообразных исполнительных механизмов.

Линейка устройств плавного пуска SIRIUS 3RW

 

Рис. 6. Линейка устройств плавного пуска SIRIUS 3RW

Приборы этой линейки не только безукоризненно выполняют свою главную функцию — плавный разгон и торможение двигателя, но и обеспечивают следующие дополнительные преимущества:

  • безрывковый запуск двигателя;
  • отсутствие колебаний напряжения в сети;
  • снижение механической нагрузки на валу;
  • экономия пространства шкафа управления;
  • способность идеально интегроваться в модульную систему SIRIUS

В SIRIUS 3RW40 впервые применен новый запатентованный метод управления балансом полярности, который исключает присутствие постоянных составляющих в пусковом токе двухфазных устройств плавного пуска. Ток в неуправляемой фазе образуется наложением токов двух управляемых фаз. Этим обеспечиваются управляемый вращающий момент и плавное нарастание тока обмоток в противоположность традиционным устройствам пуска по схеме «звезда-треугольник» с неизбежными бросками тока и механическими перегрузками. В результате акустическая картина пуска по своим показателям приближается к значениям дорогостоящих частотных преобразователей.

 

Эксплуатационные характеристики SIRIUS 3RW40:

  • Плавный пуск с увеличением напряжения: диапазон начального напряжения запуска 40…100%, при времени разгона 0…20с
  • Плавный останов с уменьшением напряжения: время останова может быть установлено в пределах 0…20с
  • Полупроводниковая защита от перегрузки
  • Настраиваемое ограничение тока
  • Встроенная шунтирующая контактная система для минимизации потерь энергии
  • Несложная настройка с помощью трех переключателей
  • Рабочее напряжение сети 50/60Гц, 200…600В
  • Два уровня напряжения цепей управления 115 и 230В переменного тока. Возможно управление от внешнего источника 24В или непосредственно от PLC
  • Широкий диапазон температуры -25…60°C

К функциональным достоинствам серии 3RW (таблица 1) можно также отнести наличие встроенной шунтирующей контактной системы. Вступая в действие непосредственно после запуска, она не только исключает неизбежные потери энергии ввиду падения напряжения на силовых полупроводниках, но и обеспечивает их защиту от перегрева. А наличие встроенного реле перегрузки, которое удобно настраивается четырехпозиционным переключателем, избавляет от необходимости в использовании дополнительных элементов защиты. Помимо прочего, опционально предусмотрена защита силовых тиристоров от короткого замыкания полупроводниковыми предохранителями SITOR.

Таблица 1. Сравнительные характеристики устройств плавного пуска SIRIUS 3RW

Характеристики SIRIUS 3RW30/31 SIRIUS 3RW40 SIRIUS 3RW44
Стандартное применение Расширенное применение
Диапазон рабочего тока при 40°С, А 3…100 134…432 29…1214
Диапазон рабочего напряжения, В 200…575 200…600 200…1000
Допустимая мощность двигателя (кВт) при включении: в линию 1,1…55 75…250 15…710
внутри треугольника 22…1200
Время разгона-торможения, с 0…20 0…20 1…360
Управление моментом двигателя при разгоне-торможении, % 20…100
Диапазон температуры °С -25…60 -25…60 0…60

Особого внимания в линейке пускателей SIRIUS заслуживает модель 3RW44 (рисунок 7), которая не только обладает выдающимися техническими характеристиками, но также содержит множество полезных опций, недоступных в предыдущих моделях. Разработчиками были добавлены функции предпускового прогрева двигателя, пробный пусковой импульс, торможение постоянным током, дисплей рабочих параметров с журналом ошибок, а также внешний дисплей и модуль для внешнего управления посредством PROFIBUS DP, что, в сочетании с возможностью программной параметризации (Softstarter ES), делает эту модель гибким инструментом для решения производственных задач.

SIRIUS 3RW44 - флагман линейки устройств плавного запуска от компании Siemens

 

Рис. 7. SIRIUS 3RW44 — флагман линейки устройств плавного запуска от компании Siemens

Твердотельное исполнение или классика?
Полупроводниковые коммутационные модули 3RF29

Как уже отмечалось, современные промышленные контакторы нуждаются в периодических регламентных работах, связанных с заменой изношенных контактных групп. А как быть в том случае, когда длительная остановка оборудования принципиально невозможна ввиду непрерывного характера техпроцесса? Идеальным решением этого вопроса стали различные твердотельные полупроводниковые реле, которые не только не уступают по своим параметрам обычным механическим реле, но и значительно превосходят их по скорости переключения, надежности и долговечности.

Полупроводниковые коммутационные аппараты — общее название целого класса устройств, к которому относятся не только миниатюрные реле, но и вполне солидные мощные контакторы различного применения. Серия SIRIUS 3RF производства компании Siemens, помимо стандартных, также содержит всевозможные модули дополнительных функций. Приборы линейки наиболее целесообразно применять для частого переключения простых активных нагрузок. Кроме того, их бесшумная работа выходит на первый план при подборе элементов для использования в административных или лечебных учреждениях.

Серия SIRIUS 3RF включает в себя три варианта малогабаритных твердотельных реле (рисунок 8) — однофазные 3RF20, 3RF21и трехфазный вариант — 3RF22. Быстрый и простой монтаж этих устройств достигается за счет простого крепления всего двумя винтами на любую подходящую теплоотводящую поверхность. В зависимости от свойств радиатора, нагрузочная способность этих элементов может достигать 88 А при омической нагрузке. Кроме того, конструктивно предусмотрены два варианта коммутации: мгновенная коммутация, рассчитанная на индуктивные нагрузки, и коммутация в момент перехода через ноль — для омических нагрузок.

Малогабаритные полупроводниковые реле SIRIUS 3RF

 

Рис. 8. Малогабаритные полупроводниковые реле SIRIUS 3RF

Логичным продолжением концепции электронных реле являются их «старшие братья» — полупроводниковые контакторы 3RF23 и 3RF24 (рисунок 9), представляющие собой комбинацию из твердотельного реле и оптимально подобранного радиатора. Такие приборы способны к коммутации уже значительно большей мощности при тех же габаритах. Помимо описанных выше вариантов, имеются специальные исполнения с устойчивостью к коротким замыканиям. Особо можно отметить модификацию Low Noise с низким уровнем помех, достигаемым благодаря специальной схеме управления. Эти контакторы можно использовать без дополнительных защитных фильтров подавления помех в промышленных сетях до 16 A. При этом уровень излучаемых помех не выходит за пределы характеристик класса B согласно EN60947 4 3.

Модульные полупроводниковые контакторы

 

Рис. 9. Модульные полупроводниковые контакторы

Удачным решением разработчиков, существенно расширяющим функциональные возможности, стало комплектование серии различными модулями дополнительных функций (рисунок 10). Простым защелкиванием они легко монтируются непосредственно на контакторы или реле с одновременным установлением необходимых электрических соединений.

Модули дополнительных функций 3RF 29 расширяют функциональные возможности серии

 

Рис. 10. Модули дополнительных функций 3RF 29 расширяют функциональные возможности серии

 

Состав линейки дополнительных модулей включает в себя следующие позиции:

  • модули преобразования сигналов;
  • модули контроля нагрузки;
  • модули контроля тока нагревания;
  • задатчики мощности;
  • регуляторы мощности.

Модуль преобразования выполняет трансформирование сигналов от аналоговых датчиков в дискретные команды включения/выключения для управления контакторами или реле. Таким образом осуществляется пропорциональное регулирование мощности в нагрузке. Модуль может использоваться только в сочетании с однофазными полупроводниковыми коммутационными аппаратами 3RF21, 3RF23 или трехфазными аппаратами 3RF22, 3RF24. Имеются варианты исполнения для управляющего напряжения AC/DC 24 В.

Модуль контроля нагрузки используется совместно с моделями 3RF2 и позволяет быстро обнаружить многие сбои в цепи, подключенной к данному коммутационному аппарату, например, пробой силовых полупроводников, отсутствие напряжения или обрыв в цепи нагрузки. Принцип действия модуля основан на непрерывном измерении силы тока и сравнении его с базовым опорным значением, записанным в память при вводе в эксплуатацию.

Информация о сбое сигнализируется одним или несколькими светодиодными индикаторами и через совместимый с ПЛК выход отправляется в систему управления.

Модуль задатчика мощности незаменим при управлении сложными нагревательными системами или индуктивными нагрузками. Требуемое значение тока удобно задается при помощи поворотного регулятора. Есть возможность выбрать метод регулирования из двух вариантов — полноволнового управления, при котором включение/отключение нагрузки осуществляется в процентном соотношении применительно к заданному периоду в одну секунду, и в более точном режиме фазовой отсечки, когда коммутация осуществляется в долях периода питающей сети. Управление характеристикой напряжения дает возможность ограничить броски тока в момент включения таких нагрузок, как мощные лампы накаливания или инфракрасные излучатели.

Заключение

Рынок современной промышленной электроники огромен. Схожие по функциям и возможностям компоненты найдутся не у одного десятка компаний. Можно потратить значительное время, сравнивая и подбирая параметры элементов от тех или иных производителей. Но если задаться такими критериями поиска, как надежность, долговечность и лаконичная законченная изящность, то продукция Siemens, несомненно, займет одну из лидирующих позиций этого списка.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: automation.vesti@compel.ru

 

•••

Наши информационные каналы

О компании SIEMENS

Основанная в Германии в 1847 году компания Siemens AG является сегодня крупнейшим электротехническим концерном, одним из мировых лидеров в области инженерных решений для широкого спектра отраслей промышленности. Концерн представлен в более 190 странах мира и объединяет свыше 405 тысяч сотрудников. Компания является сегодня крупнейшим электротехническим концерном, мировым лидером в области инженерных решений для различных отраслей промышленности, транспорта и связи. Слово «Siemens» является дл ...читать далее