Хотя производственное предприятие может иметь высококачественные распределительные устройства, правильно спроектированная распределительная система и правильно подобранный трансформатор, значительное оборудование все равно может быть вне службы из-за невозможности найти источник короткого замыкания, произошедшего из-за неисправного цепи управления двигателем на насосном двигателе мощностью 30 кВт (например). Таким образом, центры управления двигателями (MCC) были разработаны как средство для консолидации нескольких (десятков/сотен) установок двигателей в одной области, с индивидуальными автоматами, защитой от перегрузки и обнаружением неисправностей для каждого двигателя, при этом требуя только одну шину для подключения к электрической сети. Этот гид объяснит функции центров управления двигателями, их возможности и требования, содержащиеся в Национальном электрическом кодексе.
Вкратце, NEC определяет центр управления двигателями (MCC) как группу нескольких закрытых секций, которые делят общую силовую шину, а также содержат различные блоки управления двигателями. Основная функция MCC заключается в том, чтобы позволить запускать, останавливать, защищать и контролировать множество двигателей, работающих в одной области. MCC также предоставляет следующие преимущества: сокращение полевой проводки; упрощение диагностики; повышенная безопасность (выдвижные блоки); и увеличенная возможность добавления мощности двигателей на завод (добавление ‘ведер’), вместо покупки дополнительных двигателей. Обычно каждый блок управления двигателем будет содержать автомат/предохранитель, контактор и реле перегрузки. В настоящее время интеллектуальные MCC обладают коммуникационными возможностями, которые объединены в сеть и, следовательно, предоставляют множество информации для системы управления, контролируя работу двигателей.
Что такое центр управления двигателями
Определение согласно статье 100 Национального электрического кодекса объясняет MCC как сборище закрытых сегментов с общей силовой шиной и в основном состоящих из устройств управления двигателями. Ясность этого объяснения очевидна в трех разных местах текста. Термин закрытые сегменты показывает, что модель является взаимозаменяемой, поскольку секции могут быть собраны вместе или расширены по мере необходимости. Общая силовая шина указывает на наличие линии электропитания, которая соединяет все секции вместе, а не отдельной линии для каждой секции. Третья часть определения, в которой конкретно упоминаются устройства управления двигателями, показывает, что модель отличается от панелей и распределительных щитов, которые используются только в электрическом распределении.
Этот дизайн сделал MCC гибридным устройством, так как он имеет как характеристики распределительной системы, так и аппарата. Из-за этого он перенял идеи распределительных щитов в отношении спецификации конструкции и также предоставляет дополнительные требования к конструкции устройств, предназначенных для двигательных цепей, что делает необходимым наличие статьи 430, части VIII, как независимого документа, а не просто части статей, относящихся к распределительным щитам.
Для чего предназначен MCC: цели, оправдывающие стоимость
MCC обычно дороже, чем общая стоимость его пускателей. Эта надбавка состоит из шести компонентов. Каждый из которых является обоснованной инженерной причиной сам по себе.
- Централизованное управление. Все двигатели в определенной области могут быть включены и выключены удаленно, что значительно упрощает устранение любых неисправностей. В случае отключенного ленточного конвейера оператор точно знает, где найти пускатель: в обозначенном отсеке MCC, а не в соединительной коробке машины.
- Координация и селективность. Одно настройка устройства отключения, применяемая ко всей системе шин, позволяет координировать все электрические приводы для эффективного устранения электрических неисправностей: когда один двигатель отключается, все остальные приводы могут продолжать работать.
- Меньше кабелей. Провода распределения и управления поставляются уже подключенными и протестированными; все, что нужно на месте, это установить один основной питающий провод, специальные провода для каждого двигателя и кабель управления.
- Безопасное обслуживание. Заменяемые блоки могут быть отремонтированы или заменены без отключения питания всего MCC; эта функция является самой важной для производственных предприятий.
- Масштабируемость. Можно добавить больше двигателей, подключив новые релейные платы к MCC.
- Ограничение неисправностей и защита персонала. С закрытой конструкцией, разделителями и устойчивыми к дугам конструкциями последствия аварии могут быть ограничены одним отсеком, а не распространяться на всю комнату.
Коммерческое обоснование всех этих преимуществ редко выражается в терминах экономии затрат, а скорее как рассчитанная стоимость простоя. Мастерская, страдающая от незапланированных остановок, стоящих десятки тысяч в час, окупит стоимость интеллектуального MCC, просто потратив меньше времени на ремонт.
Как работает MCC: горизонтальная шина, вертикальная шина и ведра
С точки зрения электричества, MCC не сложен, а с точки зрения инженерии, инженерный дизайн делает его функциональным. Электрическая энергия поступает в устройство и распределяется между двумя уровнями шины. Горизонтальная шина представляет собой шину в виде прямой шины, которая соединяет источник питания со всеми вертикальными секциями устройства. Внутри секций вертикальная шина подает питание на контроллеры двигателей, которые размещены в этой секции.
Специфика конструкции основана на строительных нормах и важна для знания, поскольку они отображаются в чертежах и нормативных документах.
- Укрепление шин не следует путать с номиналом шин. Номинал шин означает токовую емкость шины. В то время как укрепление шин означает максимальную механическую силу, которую шина может выдержать в ситуации короткого замыкания и выражается в токе (например, 65 кА или 100 кА). Шина, имеющая достаточный номинал и недостаточное укрепление, может быть разрушена при токе короткого замыкания.
- Расположение фаз постоянно. В трехфазной системе горизонтальные и вертикальные шины должны быть расположены в последовательности A, B, C с переднего вида — это означает, что от передней части назад, сверху вниз или слева направо. Для трехфазной четырехпроводной дельта-схемы фаза с более высоким напряжением относительно земли называется B.
- Расстояние определяется кодом. В установках до 600 В таблица расстояний требует минимальное расстояние 25,4 мм между живой шиной и землей, 25,4 мм между проводами противоположных фаз через воздух и 50,8 мм по поверхности.
- Пространство для изгиба проводов обязательно. Минимальное пространство для изгиба на клеммах и в желобе такое же, как для распределительных щитов; причина этой рекомендации заключается в том, что если проводник будет изогнут за пределами указанного радиуса изгиба даже один раз во время установки, его изоляция может быть повреждена навсегда.
- Барьеры отделяют сервисные шины от других устройств в любом MCC на входе сервиса, чтобы защитить персонал, работающий в смежных секциях, от опасных ситуаций.
Устройство, занимающее место вертикальной секции в MCC, называется "ведро", и именно здесь выполняются электрические работы. Интерфейс устройства с шиной указывает, какой тип MCC используется: либо фиксированное устройство, либо выдвижное. Фиксированное означает, что устройство прикреплено на месте и отключено от источника питания во время обслуживания, в то время как выдвижное можно вынуть из отсека без обесточивания шины.
Что находится внутри ведра: от DOL стартеров до VFD.
Основной комбинированный стартер состоит из трех компонентов: устройства защиты от короткого замыкания (автомат или предохранитель), контактора для управления двигателем и реле перегрузки для защиты от постоянного превышения тока. Все остальное в комбинированном стартере — это просто другая версия этой темы.
| Тип устройства | Что он делает | Где это используется |
|---|---|---|
| Прямой пуск (DOL) стартер | Пуск с полным напряжением; автомат, контактор, перегрузка | Малые двигатели и нагрузки, которые переносят пуск с полным напряжением |
| Реверсивный стартер | Два контактора, обеспечивающие прямое и обратное вращение | Конвейеры, подъемники, любой процесс, требующий изменения направления |
| Стартер звезда-дельта | Уменьшает пусковой ток, начиная в звезде и переключаясь на дельту | Более крупные двигатели, где мощность источника ограничивает пусковой ток |
| Пускатель с мягким стартом | Тиристорный ramp напряжения для управления пусковым моментом и током | Насосы, вентиляторы и конвейеры, где важен механический удар |
| Привод с переменной частотой (VFD) | Непрерывное управление скоростью и оптимизация энергии | Управление процессами, HVAC, все, что требует переменного потока |
| Ведро питания | Защита и переключение только, без управления двигателем | Питание панелей, трансформаторов или оборудования в другом месте |
| Интеллектуальное устройство | Сетевой стартер с встроенной диагностикой и измерением | Заводы, интегрирующие данные о двигателе в систему управления или обслуживания |
Этот уровень содержит две функции защиты, которые нельзя найти на входе. Первая функция — это защита от перегрузки, которая разработана примерно в соответствии с характеристиками двигателя и коэффициентом эксплуатационной надежности. Двигатель, работающий под сильной перегрузкой в течение длительного времени, может выйти из строя раньше, чем устройство короткого замыкания выполнит свою работу. Вторая функция — это защита от земного замыкания, которая отвечает за обнаружение токов, проходящих по неожиданному маршруту. В установке с множеством двигателей на одном шине проектирование этой защиты должно быть селективным, а принципы, лежащие в ее основе, изложены в основах защиты от земного замыкания, которая применяется одинаково, независимо от того, обнаружена ли неисправность на входе или внутри одного ведра.
Типы, корпуса и интеллектуальный MCC
В дополнение к классификации на основе того, являются ли они фиксированными или выдвижными, MCC классифицируются на основе корпуса, который они используют, и стандарта, которому они соответствуют. Хотя электрические характеристики являются важными факторами, типы корпусов NEMA также играют важную роль в работе завода, которая может включать мойку, пыль и влажность. Это связано с тем, что сбой в недостаточно закрытой сборке происходит из-за разрушения изоляции, вызванного загрязнением, а не из-за чистого электрического короткого замыкания.
В отношении стандартов Северная Америка имеет свои собственные стандарты UL 845 и NEMA ICS 18. Кроме того, характеристики пускателей изложены в стандарте NEMA ICS 2. Международные проекты должны соответствовать типам, которые подлежат испытаниям IEC 61439-1 и IEC 61439-2 для проверки повышения температуры, параметров устойчивости к короткому замыканию и зазоров, а также пределов пробоя. Это показывает, что соответствующий MCC не является общей квалификацией, поскольку он должен соответствовать конкретному стандарту; следовательно, если в заявке не указано, какой стандарт должен быть соблюден, ее нельзя считать законной.
Интеллектуальные MCC представляют собой самое значительное достижение за последние несколько десятилетий. Проведение каждого вспомогательного контакта обратно к PLC в распределительном щите было заменено практикой, при которой каждый модуль имеет коммуникационный модуль и становится частью сети завода. Прежде всего, это позволяет значительно сократить контрольные кабели; во-вторых, это позволяет получать данные о потреблении энергии для каждого двигателя и данные о часах работы без дополнительных устройств; в-третьих, это позволяет получать данные о состоянии для предиктивного обслуживания вместо реактивного обслуживания. Однако это также приводит к новым вызовам в обеспечении того, чтобы интеллектуальный MCC работал как часть сетевой системы, в то время как электрическое обслуживание одновременно включает в себя ответственность за кибербезопасность, управление адресами, версии запасных частей и т.д.
Оборудование обслуживания, заземление и требования кодекса
В соответствии со статьей 430 часть VIII несколько условий должны быть выполнены с самой первой встречи по проектированию. В случае, если MCC действует как оборудование обслуживания, он должен иметь одно основное отключающее устройство для всех незаземленных проводников обслуживания. Также должно быть правильно подобранное основное соединительное устройство в соответствии с правилами соединения в случае наличия заземленного проводника, плюс необходимо обеспечить барьеры, устанавливающие изоляцию между сервисными шинами и другими частями MCC.
Заземление обычно рассматривается как мера последнего резерва, и оно оказывается самым опасным, когда в этом отношении допускаются ошибки. Все компоненты MCC должны быть связаны в одно целое с помощью либо соединительного проводника, либо шины, которые подпадают под таблицу соединительных проводников данного оборудования. Также необходимо убедиться, что все заземляющие кабели соответствуют требованиям, указанным для этой шины и соответствующей точки. В ситуации, когда секции неправильно соединены, возникает ситуация, когда соседние рамы MCC начинают влиять друг на друга, имея определенную разницу в напряжении. Принципы те же, что и для каждой заземленной системы, и их стоит пересмотреть на этапе проектирования, а не на этапе инспекции: расположение трансформатора и заземления системы определяет, к чему на самом деле относится заземляющая шина MCC, и схема заземления, которая адекватна выше по потоку, все еще может оставить раму двигателя на неожиданном потенциале, если внутреннее соединение неполное.
Существуют два дополнительных требования к табличке и чертежам. Во-первых, существует требование четко обозначить номинальный ток силовой шины и номинал короткого замыкания MCC после установки системы. Существует требование, чтобы ток короткого замыкания MCC был задокументирован и доступен любому, кто имеет право инспектировать, устанавливать и обслуживать изделие, вместе с датой, когда было рассчитано короткое замыкание.
Что питает MCC: оборудование выше по потоку и проверки номиналов
Невозможно определить MCC отдельно, так как его номинал не имеет значения, если не оценивать его в сочетании с параметрами выше по потоку. Обычно источником питания может быть распределительный трансформатор, главный распределительный щит или ввод от подстанции более высокого напряжения. Три значения должны быть получены перед определением номинала, включая напряжение питания и конфигурацию, потребление тока пользователем и потенциальный ток короткого замыкания на месте подключения.
Однако именно последнее значение создает проблемы для проектов. MCC, построенный на существующем объекте, где трансформатор уже был заменен, может иметь уровень короткого замыкания, значительно превышающий проектный; самым распространенным примером является обновление коммунальных услуг, которое приносит больше мощности короткого замыкания без каких-либо серьезных изменений в производственном процессе. Вот почему требуется предоставление документации по току короткого замыкания и почему каждая значительная операция по ремонту должна содержать проверку номинала. Понимание того, что поставляет распределительный трансформатор — его импеданс, его конфигурация и его номинальная мощность — это отправная точка для этого расчета, потому что импеданс трансформатора обычно является доминирующим термином в доступном токе короткого замыкания на клеммах MCC.
Защита, измерение и роль токовых трансформаторов
Все оборудование MCC и многочисленные большие моторные ящики зависят от токовых трансформаторов для обнаружения фактического электрического тока. Токовый трансформатор снижает высокий первичный ток до уровня его стандартного вторичного тока, обычно 5 А или 1 А, который может быть обработан защитными реле и счетчиками. В MCC есть три места, где применяются ТТ: на входном шинопроводе для защиты от перегрузки и земляного короткого замыкания; на больших пускателях моторов для дифференциальной или тепловой защиты; и в измерительных панелях, где собирается информация о потребляемой энергии и спросе на энергию.
Два аспекта проектирования влияют на функционирование инструментов. Первый аспект заключается в том, что соотношение должно быть правильно выбрано — ТТ должен быть выше максимального первичного тока, в то время как вторичный ток должен поддерживаться на уровне, достаточном при нормальной нагрузке для надежных показаний. Вот почему большие моторы обычно имеют ТТ, предназначенный для защиты, а не для измерений. Второй аспект — это общая вторичная нагрузка — это общее сопротивление всех реле, счетчиков и кабелей, подключенных к ТТ. Выбор устройства для этой задачи — это вопрос документированного класса точности, нагрузки и кратковременного термического рейтинга, а не физического размера, и представительный ассортимент трансформаторов тока показывает, как эти параметры публикуются для конкретного устройства. Токовые трансформаторы также вводят правило, которое ни один техник по обслуживанию не должен забывать: вторичная цепь никогда не должна быть разомкнута под нагрузкой, потому что при отсутствии нагрузки ТТ развивает опасное напряжение на своих собственных клеммах.
Общие проблемы и практика обслуживания
Отказы MCC редко бывают экзотическими. Они группируются в несколько повторяющихся причин, и большинство из них видно по расписанию.
| Проблема | Коренная причина | Устранение |
|---|---|---|
| Перегрев на соединениях шин | Ослабленные болтовые соединения, термическое циклирование, загрязнение | Проверка затяжки по расписанию; инфракрасная термография под нагрузкой |
| Отказ контактора или пускателя | Износ контактов от высокой рабочей частоты | Счетчики операций на интеллектуальных устройствах; плановая замена контактов |
| Ложные срабатывания | Неправильные настройки перегрузки для фактического мотора; гармоники от ПЧ | Проверить настройки по полному току на табличке и коэффициенту службы |
| Пробой изоляции | Пыль, влажность, попадание воды, свободные обломки | Правильный класс корпуса, поддерживаемые прокладки, программы очистки |
| Недокументированные изменения | Полевые изменения без обновления чертежей | Контролируемая ревизия чертежей; проверка по фактическому исполнению на каждом аудите |
| Вспышка дуги и воздействие на персонал | Работа с под напряжением без оценки или СИЗ | Опубликованное исследование энергии инцидента, границы, СИЗ и процедуры |
На самом деле, рутинное обслуживание, которое достигает большей части этого, является одним из самых простых типов обслуживания, которое включает в себя такие мероприятия, как момент затяжки и термография на шине, инспекция контактов и подсчет запусков для пускателей, мониторинг окружающей среды корпуса и проверка соответствия чертежей установке. На заводе, где MCC является единственной точкой, через которую питается большая часть процесса, эта программа должна находиться в том же календаре, что и обслуживание трансформаторов и распределительных устройств, а не в отдельной ячейке — комплексное контрольный список обслуживания трансформаторов и график инспекции MCC разделяют ту же логику запланированных вмешательств, позволяя выявлять медленное ухудшение до того, как оно станет вынужденным отключением.
MCC по сравнению с распределительными устройствами, панелями и VFD
Встречи, как правило, путают четыре терминологии, которые означают разные вещи, что создает высокий потенциал для проблем с спецификацией.
- Панель. Она распределяет электроэнергию на комбинацию цепей с адекватной защитой от перегрузки. Здесь нет запуска мотора, защита от перегрузки отсутствует.
- Распределительная панель или распределительное устройство. Эта сборка предназначена для распределения и защиты электроэнергии в более крупном масштабе и помогает с распределением и защитой электроэнергии.
- MCC. Это оборудование построено вокруг систем управления моторами. Они обеспечивают защиту, переключение и защиту от перегрузки в одной шине на модульных секциях сборки.
- VFD. Это просто устройство, контролирующее одну функцию мотора, которое может находиться либо в MCC, либо отдельно. Принцип работы VFD не идентичен принципу работы MCC.
Часто задаваемые вопросы
Какова основная цель MCC?
Цель состоит в том, чтобы управлять, защищать и контролировать несколько двигателей из одного центрального места. На практике это означает подключение всех пускателей и питающих линий производственного сектора к общей силовой шине в модульных конструкциях. Системы построены таким образом, чтобы двигатели могли быть запущены, остановлены и защищены от перегрева и короткого замыкания гораздо проще, чем в случае, если они подключены отдельно на месте. Вторая цель – масштабируемость: вместо реконструкции всей системы необходимая мощность может быть получена путем добавления новых сегментов или присоединения секций.
Как работает MCC?
Электричество подается через основное устройство (например, автомат, зажим или предохранительный выключатель), откуда оно распределяется через общую силовую шину, охватывающую сборку. В каждой секции вертикальные шины берут от этой общей шины и подают питание каждому отдельно установленному блоку управления двигателем. Каждый блок (называемый ведром) оснащен устройствами защиты цепи, контакторами или приводом, а также панелью для защиты от перегрузки. Управляющая проводка обеспечивает подключение блоков либо к кнопкам, либо к сети завода (в случае интеллектуального MCC).
Каковы распространенные проблемы с панелями MCC?
Повторяющиеся проблемы возникают из-за плохо соединенных шин, которые вызывают горячие точки, износ контакторов в переключателях, которые часто используются, неправильные настройки защит от перегрузки, которые приводят к нежелательным отключениям, ухудшение изоляции из-за грязи и влаги, гармоники двигателей, подключенных к частотным преобразователям (VFD), влияющие на другие нагрузки, и незафиксированные изменения, внесенные техниками, которые делают чертежи оборудования бесполезными. Большинство проблем выявляются с помощью плановых испытаний крутящего момента, термографической инспекции, подсчета использованных контакторов и проверки окружающей среды, вместо того чтобы ждать, пока произойдет отказ.
В чем разница между VFD и MCC?
Они функционируют на разных уровнях. MCC действует как сборник оборудования, который подает питание и обеспечивает некоторую защиту и возможность запуска для двигателей. В то время как VFD относится к одному устройству, которое изменяет скорость одного двигателя, варьируя частоту и напряжение. Поскольку приводы обычно устанавливаются в ведрах MCC, люди склонны путать эти два понятия; однако MCC является корпусом, шиной и защитным устройством для полного набора приводов, в то время как VFD отвечает за управление одним двигателем. Если полностью заменить MCC на VFD, не будет надлежащей защиты электрических приводов.
Ссылки
- NFPA — NFPA 70 Национальный электрический кодекс, Статья 100 и Статья 430 Часть VIII (Центры управления двигателями)
- NFPA — NFPA 70E: Стандарт по электрической безопасности на рабочем месте
- UL Solutions — UL 845: Центры управления двигателями
- NEMA — NEMA ICS 18: Центры управления двигателями и NEMA ICS 2: Промышленные контроллеры и системы управления
- Международная электротехническая комиссия — IEC 61439-1 и IEC 61439-2: Низковольтные распределительные устройства и устройства управления
- IEEE — IEEE C37.20.7: Руководство по испытаниям распределительных устройств, рассчитанных на напряжение до 52 кВ на внутренние дуговые повреждения
Заключение
Центр управления двигателями (MCC) — это место, где заканчивается общее распределение электрической энергии для энергетической системы. Шина — это оборудование, используемое для распределения, в то время как ведра используются для защиты, переключения и мониторинга распределения энергии. Большие металлические корпуса и защитные устройства были специально разработаны, чтобы защитить оборудование от воздействия, в то время как современные заводские сети позволяют всему MCC служить оператором сбора энергии. Каждый производитель разработает код, который включает требования к укреплению шин, порядку фаз, пространству для изгиба и зазора, соединению на пересечениях, маркировке на табличках и документации по токам короткого замыкания. Большинство производителей должны принять три основных решения для всех MCC. Во-первых, производители должны сделать доступным съемный компонент MCC, если затраты на простой слишком высоки; во-вторых, производители должны убедиться, что номинал тока короткого замыкания для каждого MCC равен или больше токов короткого замыкания на клеммах; и, наконец, производители должны обеспечить постоянный мониторинг инженерной документации, пока их клиент строит объект.