Глобальные тренды — спрос на снижение выбросов CO2, повышение интенсивности энергосбережения — приводят к необходимости сбалансированного потребления энергии, для чего большую помощь могут оказать электронные схемы управления процессами. Наиболее распространённые случаи — это оптимизация эксплуатационных характеристик аккумуляторов, контроль скорости вращения двигателей и переходных процессов в серверах, управление солнечными батареями. Для операторов таких систем важно, в частности, знать, какой ток протекает в цепи. Неоценимую помощь в этом могут оказать датчики тока.
Измерим ток и скажем сколько
Реле контроля тока (РКТ) – это электротехническое устройство, построенное на принципе измерения тока нагрузки электрической сети и выдающее управляющие сигналы при достижении измеряемой величиной пороговых значений, как в сторону повышения, так и в сторону понижения.
Другими словами реле контроля тока — это модульное устройство, предназначенное для контроля за величиной тока потребляемое нагрузкой для того, чтобы при малейшем отклонении от установленных значений мгновенно подать специальный сигнал для отключения и не допустить перегрузок электрооборудования.
Датчик тока своими руками
Если приобрести стандартный датчик (наиболее известны конструкции от торговой марки Arduino) по каким-то соображениям невозможно, устройство можно изготовить и самостоятельно.
Датчик тока фирмы Arduino. Стрелкой указан USB-разъём.
Необходимые компоненты:
- Операционный усилитель LM741, или любой другой, который мог бы действовать как компаратор напряжения.
- Резистор 1 кОм.
- Резистор 470 Ом.
- Светодиод.
Общий вид устройства в сборе, сделанного своими руками, представлен на следующем рисунке. В данной схеме используется эффект Холла, когда разность управляющих потенциалов может изменяться при изменении месторасположения проводника в электромагнитном поле.
Области применения
РКТ применяется в различных электроустановках для контроля нагрузки электрооборудования. Оно может сигнализировать, либо давать импульсы на отключение перегруженных установок в сетях с лимитированным потреблением энергии. Либо сообщить дежурному персоналу о чрезмерном снижении нагрузки, что может быть следствием аварийного отключения оборудования, обрывов проводов ЛЭП или фаз электрических кабелей.
В зависимости от задач реле контроля тока может срабатывать от превышения, и от падения напряжения в электросети. Для этого предусмотрен специальный переключатель этих параметров. Измерительный цикл реле контроля тока довольно короткий, поэтому прибор оперативно реагирует на изменения его уровня.
Почему необходимы датчики тока
Датчиками называют блоки, задача которых измерить некоторый параметр, а потом, сравнив его с эталонным для данной технической системы значением, подать соответствующий сигнал на исполнительный элемент схемы. Поскольку большинство систем используют электродвигатели, то наиболее распространёнными типами являются датчики тока и напряжения (общий вид последнего представлен на следующем рисунке).
Широкое внедрение таких устройств обусловлено развитием сенсорных методов управления, когда исходный сигнал — электрический или оптический — преобразуется в необходимые параметры управления.
По сравнению в другими управляющими технологиями (например, контакторного контроля) датчики обеспечивают следующие преимущества:
- Компактность.
- Безопасность в применении.
- Высокую точность.
- Экологичность.
Малые размеры и вес часто позволяют изготавливать многофункциональные датчики, например, такие, которые могут контролировать несколько параметров цепи. Таковыми являются современные датчики тока и напряжения.
В состав таких детекторов входят:
- Контактные группы входа;
- Контактные группы выхода;
- Шунтирующий резистор;
- Усилитель сигнала;
- Несущая плата;
- Блок питания.
Идея того, что устройства можно подключать к уже имеющейся сети, не выдерживает проверку временем, ибо часто в экстремальных ситуациях (пожар, взрыв, землетрясение) именно системы встроенного электроснабжения первыми выходят из строя.
Детекторы подразделяют на активные и пассивные. Первые не только передают конечный сигнал на управляющий элемент, но и управляют его действием.
Устройство РКТ и принципы работы
Как и все другие электрические приборы, РКТ могут быть электромеханическими и электронными, переменного и постоянного тока. Для измерения силы тока реле должно быть либо врезано в контролируемую сеть непосредственно, либо подключено к ней через измерительный трансформатор тока (ТТ). Слаботочные реле врезаются в цепь измерения с помощью измерительных шунтов. Чтобы не вносить погрешности в измеряемую сеть и снизить потери, сопротивление врезаемого шунта должно быть как можно меньше.
В электромеханических реле к шунту подключается токовая катушка реле, а в электронных измерительная схема на микропроцессорах. При достижении током порога срабатывания реле (при перегрузках) подтягивается якорь электромагнитного реле, или срабатывает пороговый элемент электронного ключа, выдавая сигнал. При понижении тока электромеханическое реле отпускает подтянутый якорь, заставляя замыкаться контакты.
Электронное же реле работает так же. Реле с трансформаторами тока не требуют врезки в измерительную цепь. Первичной обмоткой ТТ является сам фазный провод измеряемой цепи. Ко вторичной обмотке ТТ подключается катушка реле или схема измерения. Обычно трансформатор тока встраивается в само реле и фазный провод пропускается через окошко в его корпусе. РКТ могут быть снабжены задатчиками выдержки времени на срабатывание, выдержкой времени (0.5 – 5 сек) для отстройки от бросков пускового тока электродвигателей и тока намагничивания силовых трансформаторов. Реле возвращается в исходное состояние при возврате силы тока к нормальной величине, либо остаётся в сработанном состоянии до принятия мер дежурным персоналом (реле с памятью). Электромеханические реле имею гистерезис, т.е. ток срабатывания не равен току отпускания, а меньше его на величину около 5%. Другими словами, коэффициент возврата реле (Iсраб./Iотпуск.) равен 0.95.
Три способа контроля нагрузки при помощи реле контроля:
Контроль тока
Контроль тока в цепи питания двигателя не дает полной картины о нагрузке и может лишь ограниченно использоваться для данных целей, в связи со следующими факторами:
- В сетях переменного тока измеряемый ток является суммой реактивной и активной составляющих. При генерации механической силы решающее значение имеет именно активная составляющая. Реактивная составляющая в основном идет на потери и не влияет на момент вращения.
- В ситуации недогрузки ток уменьшается нелинейно по отношению к нагрузке, остается относительно высоким в связи с существенным влиянием токов намагничивания. Следовательно, не существует достаточной корреляции между протекающим током и нагрузкой.
- Ток зависит от напряжения питания. В ситуации падения напряжения при постоянной нагрузке ток будет увеличиваться. Что затрудняет мониторинг активной составляющей.
Поэтому контроль тока позволяет определять только критические состояния в работе оборудования, такие как блокировка привода, т. к. в этом случае ток значительно возрастает.
Контроль коэффициента мощности
Коэффициент мощности (cos φ) — это косинус угла фазового сдвига между протекающим током и приложенным напряжением. В случаях с электродвигателем косинус фи зависит от нагрузки и теоретически равен 1 для идеальной ситуации. Однако в связи с индукцией в реальной ситуации рабочее значение находится между 0,85 … 0,95 при номинальной нагрузке.
В ситуации недогруза мониторинг cos φ позволяет своевременно обнаружить данное состояние, т. к. потери существенно возрастают при падении нагрузки и могут достигать <0.5 для ситуации работы двигателя без нагрузки.
Данный способ контроля не может применяться, если установка постоянно работает в режиме недогрузки или перегрузки (т. е. если насос или двигатель неправильно подобран для данной установки), т. к. в таком случае изменение нагрузки будет незначительно влиять на угол фазового сдвига φ.
Контроль активной мощности
Контроль значения активной мощности позволяет наиболее полно судить о состоянии электродвигателя, потому что эффективная мощность пропорциональна мощности на валу. Существует прямая корреляция между эффективной потребляемой мощностью и нагрузкой двигателя (момент с постоянной скоростью вращения) во всем рабочем диапазоне. За счет линейной характеристики данный способ контроля является наиболее точным и информативным.
Преимущества реле контроля нагрузки по сравнению с датчиками:
- нет сложностей, связанных с загрязнением датчиков и их калибровкой;
- не требуются обслуживание и чистка;
- снижение затрат при монтаже, т. к. не требуется прокладка кабеля;
- не нужно использовать взрывозащищенные барьеры;
- меньше компонентов — выше надежность;
- простота модернизации, т. к. можно использовать свободное место в существующем электрощите.
Виды РКТ и их технические данные
РКТ подразделяются на устройства:
- переменного и постоянного тока;
- напряжением 12, 24, 36, 48, 220, 400, 660В;
- силой измеряемого тока от нескольких ампер до сотен ампер (в реле с ТТ);
- с выдержками времени от 0 до десятков секунд;
- однофазные и трёхфазные;
- степень защиты реле 1Р20/1Р40 (для обеспечения безопасности персонала).
РКТ монтируются на распределительных щитах, в щитах освещения, электрических щитах управления на ДИН-рейку или на ровную поверхность. Все переключатели выбора режимов реле (задатчики тока срабатывания, выдержки времени) расположены на лицевой панели устройства. Включение и отключение нагрузки осуществляется либо контактами самого реле, либо с помощью коммутационных аппаратов, обеспечивающих переключение больших токов. РКТ выпускаются как отечественной промышленностью:
- РКТ-1 АС100-265В (однофазное, переменного тока от 100 до 26 В);
- РКТ-1 АС400В (то же на 400В);
- РКТ-1 DC24В (постоянного тока на 24В).
Так и зарубежными фирмами:
- CM-EFS/25 (переменного и постоянного тока от 3 до 660В, фирмы АВВ).
Классификация и схемы подключения
Датчики тока предназначаются для оценки параметров постоянного и/или переменного тока. Сравнение выполняется двумя методами. В первом случае используется закон Ома. При установке шунтирующего резистора в соответствии с нагрузкой системы на нём создаётся напряжение, пропорциональное нагрузке системы. Напряжение на шунте может быть измерено дифференциальными усилителями, например, токовыми шунтирующими, операционными или разностными. Такие устройства используются для нагрузок, которые не превышают 100 А.
Измерение переменного тока выполняется в соответствии с законами Ампера и Фарадея. При установке петли вокруг проводника с током там индуцируется напряжение. Этот метод измерения используется для нагрузок от 100 А до 1000 А.
Схема описанных измерений представлена на рисунке:
Слева — измерение малых токов; справа — измерение больших токов
Измерение обычно производится при низком входном значении синфазного напряжения. При помощи чувствительного резистора датчик тока соединяется между нагрузкой и землей. Это необходимо, поскольку синфазное напряжение всегда учитывает наличие операционных усилителей. Нагрузка обеспечивает питание прибора, а выходное сопротивление заземляется. Недостатками данного способа считаются наличие помех, связанных с потенциалом нагрузки системы на землю, а также невозможность обнаружения коротких замыканий.
Для слежения работой мощных систем детектор присоединяют к усилителю между источником питания и нагрузкой. В результате непосредственно контролируются значения параметров, подаваемых источником питания. Это позволяет идентифицировать возможные короткие замыкания. Особенность подключения заключается в том, что диапазон синфазного напряжения на входе усилителя должен соответствовать напряжению питания нагрузки. Перед измерением выходного сигнала контролируемого устройства нагрузка заземляется.
Некоторые производители
- АВВ;
- iemens;
- Legrand;
- ЭКМ (Россия);
- Меандр (Россия).
Для получения подробной информации по услуге «Сборка щитов НКУ» обратитесь к нам в офис по телефону
Способы оплаты услуг по комплектации и сборке электрощитов:
Для удобства наших Заказчиков оплату работ по комплектации и сборке электрических щитов можно выполнить следующими способами:
Пример настройки реле контроля коэффициента мощности для защиты насоса от «сухого хода»
Ситуация «сухого хода» насоса приводит к существенному падению коэффициента мощности, поэтому для защиты насоса необходимо настроить функцию контроля на понижение (U) и задать пороговое значение срабатывания регулятором cos φ min. При падении коэффициента мощности в цепи питания насоса ниже заданного порогового значения произойдет размыкание реле.
Собственное напряжение питания устройства, подаваемое на клеммы A1-A2, определяется модулем питания, например, TR2-230VAC и TR2-400VAC соответственно для приведенных ниже схем подключения.
Схема подключения для контроля 1-фазной нагрузки с питанием от цепи измерения 230В AC, измерение тока напрямую (до 10 А)
Схема подключения для контроля 3-фазной нагрузки с питанием от цепи измерения 400В AC, с измерением тока через трансформатор тока xxx/5A
Technik braucht Kontrolle. С 1963 года TELE занимается разработкой и производством устройств промышленной автоматизации. Штаб-квартира и производство в г. Вена, Австрия, более 60 дистрибьюторов по всему миру и одна из крупнейших линеек устройств релейной автоматики.
Постоянный контроль
Постоянный контроль сетей питания на наличие токов утечки на землю (или токов нулевой последовательности) позволяет повысить эксплуатационную готовность и работоспособность энергосистем и исключает вероятность появления внештатных ситуаций. Такой контроль также дает возможность получать информацию о реальном состоянии питающей сети. Продукция серии RCM-A и RCM-B (RCM = residual current monitor = контроль разностных токов) Phoenix Contact — это устройства контроля дифференциальных токов согласно стандарту DIN EN 62020 (VDE 0663), полностью удовлетворяющие данным требованиям и доступные в следующих модификациях:
1) Типа А для обнаружения переменного тока утечки и пульсирующего постоянного тока утечки;
2) Универсальные типа В, способные обнаруживать все виды токов утечки: переменный, пульсирующий постоянный, «чистый» постоянный на землю. Устройства контроля дифференциальных токов выявляют повреждения изоляции на ранней стадии (рис. 1).
Рис. 1. Остановка энергосистемы из-за пробоев изоляции, приводящих к токам утечки на землю
Результаты контроля постоянно отслеживаются, и по достижении заранее установленных предельных величин подается сигнал тревоги. Заблаговременно получая такую информацию, эксплуатирующая компания может устранить проблему до вынужденного отключения системы. Повреждения могут легко отслеживаться и ликвидироваться в нерабочее время. Это существенно повышает эксплуатационную готовность энергосистем.
Введение
На сегодняшний день электродвигатели используются во всех отраслях промышленности. При этом, как известно, ток потребления электродвигателя зависит от характера нагрузки.
Яркими примерами технологических процессов, где измерение тока двигателя очень важно, являются:
- измельчение твердого продукта (дробление);
- поддержание консистенции (перемешивание);
- экструзия при помощи шнекового пресса.
В этой статье будут рассмотрены основные проблемы, возникающие при автоматизации подобных процессов и различные пути для их решения.
Внеплановые простои
Сегодня безопасность энергосистем достигла достаточно высокого уровня, что не в последнюю очередь является результатом применения широкого диапазона стандартов. Этот высокий уровень безопасности частично достигается с помощью защитных элементов: автоматических выключателей и устройств защиты по разностному току, выключателей автоматических дифференциальных (дифавтомат), которые в случае пробоя своевременно изолируют индивидуальные нагрузки или цепи целиком. Однако мгновенное отключение нагрузки при реакции устройства защиты по разностному току на высокий разностный ток заданной величины не всегда желательно с точки зрения работоспособности оборудования, так как отключение производится без предварительного оповещения. Как следствие, эксплуатирующая компания лишается возможности выполнять профилактические мероприятия.
Высокие разрядные токи, гармоники и электромагнитные поля являются дополнительными факторами, отрицательно сказывающимися на работоспособности энергосистем. Таким образом, проектировщики, монтажники и операторы сталкиваются с задачей заблаговременного выявления подобных эффектов и их устранения с помощью подходящей схемы защиты, которая обеспечит безопасную эксплуатацию. Косвенно часть таких негативных эффектов устраняется путем выбора на этапе проектирования системы заземления типа TN-S — конфигурации сети с раздельными защитным и рабочим нулем (N и PE).
Хотя частоту появления высоких импульсных разрядных токов, помех и электромагнитных полей можно снизить до минимума за счет грамотного проектирования, дифференциальные токи утечки, вызванные пробоями изоляции, невозможно полностью исключить (даже при идеальном проектировании). Эти сложно прогнозируемые события оказывают сильное влияние на эксплуатационную готовность всех энергосистем.
Техника безопасности
ВНИМАНИЕ!
К работам по монтажу, наладке, ремонту и обслуживанию технологического оборудования допускаются лица, имеющие техническое образование и специальную подготовку (обучение и проверку знаний) по безопасному производству работ в электроустановках с группой не ниже 2 для ремонтного персонала, а также имеющие опыт работ по обслуживанию оборудования, в конструкцию которого вносятся изменения и дополнения, либо производится модернизация. За неисправность оборудования и безопасность работников при неквалифицированном монтаже и обслуживании ООО «КИП‑Сервис» ответственности не несет.
