Przekaźnikowe elementy wykonawcze w systemach automatyki budynkowej – wskazówki doboru i zabezpieczenia

Przekaźnikowe urządzenia sterujące

Systemy automatyki budynkowej stosowane są do regulacji pracy odbiorników, w tym elektrycznych, bez konieczności ingerencji, lub przy minimalnym udziale, człowieka w proces regulacji. Do najczęściej sterowanych typów odbiorników można zaliczyć odbiory oświetleniowe, rolety lub żaluzje, a także ogrzewanie. Sterowanie to może zostać zrealizowane za pomocą elementów energoelektronicznych bądź przekaźnikowych. Pierwsze z nich wykorzystywane są do każdego typu odbiornika, przy czym przeważnie charakteryzują się ograniczeniem co do wartości mocy sterowanej. Drugie z nich mogą być zastosowane również do regulacji każdego z rodzaju odbiorów, ale najczęściej spotykane są w obwodach roletowych/żaluzjowych, a także ogólnego przeznaczenia, np. gniazd wtyczkowych. Przekaźnikowe elementy sterujące pozwalają na zarządzenie obwodami o większej mocy, przeważnie w zakresie prądu do 16 A w kategorii użytkowania AC-1.

Rys. 1 Przykładowe podłączenie modułu przekaźnikowego LCN-R8H [1]
 

Ze względu na wykorzystanie elementów z przekaźnikami do sterowania pracą obwodów silnikowych (rolety itp.) należy właściwie dobrać urządzenie wykonawcze automatyki do danego obwodu oraz zabezpieczyć sam obwód, tak aby zapewnić długotrwałą bezawaryjną pracę instalacji. Błędny dobór może prowadzić do uszkodzenia takiego elementu i konieczności jego wymiany, co w systemach automatyki przeważnie się łączy ze znacznymi kosztami.

Przykładowe połączenie zarówno silników, jak i oświetlenia do modułu sterującego przedstawiono na rys. 1. Pokazany jest tu moduł LCN-R8H przeznaczony do niezależnego łączenia ośmiu obwodów ogólnego przeznaczenia lub czterech napędów silnikowych. Wybrane parametry techniczne tego modułu są przedstawione w tabl. 1.

Przykładem elementu wykonawczego, przeznaczonego wyłącznie do sterowania silnikami roletowymi, jest sterownik rolet TXA223 (rys. 2). Pozwala on na niezależną pracę czterech silników.

Tabl. 1 Wybrane dane techniczne ośmio- wyjściowego modułu przekaźnikowego LCN-R8H [1]

Dopuszczalna obciążalność prądowa sterowników

Producenci podają w katalogach albo dopuszczalne wartości prądu łączeniowego, albo mocy obciążenia w zależności od rodzaju charakteru obciążenia. Przykładowe dopuszczalne wartości obciążenia dla wyjść binarnych TXA20xB/D firmy Hager przedstawione zostały w tabl. 2. Element TXA20xB przeznaczony jest do łączenia obwodów o prądzie znamionowym do 10 A, a model TXA20xD – o prądzie znamionowym 16 A wraz z możliwością łączenia skompensowanych równolegle lamp fluorescencyjnych. Litera „x” w oznaczeniu powiązana jest z liczbą wyjść danego urządzenia. Po przeanalizowaniu tabl. 2 można zauważyć, że dopuszczalne moce łączeniowe są znacznie mniejsze, niż wynikałoby to z wartości znamionowego prądu roboczego. Dla prądu o wartości 10 A i napięciu 230 V moc pozorna łączeniowa mogłaby wynosić 2300 VA, a dla prądu 16 A – 3680 VA. Obciążenie w postaci lamp żarowych lub halogenowych ma charakter rezystancyjny, zapewne o współczynniku mocy nie mniejszym niż 0,95. Dla tego typu obwodów można by domniemywać, że dopuszczalna moc czynna załączana będzie odpowiadać mocy pozornej. Dla niektórych rodzajów zainstalowanego obciążenia istnieje niewielka różnica w mocy obciążenia pomiędzy dwoma przedstawionymi urządzeniami. Dodatkowo tylko wyjście binarne TXA20xD umożliwia łączenie skompensowanych lamp fluorescencyjnych. Lampy te charakteryzują się tym, że przy załączaniu może się pojawić impuls prądowy o wartości szczytowej większej niż prąd znamionowy lampy. Przy wyłączaniu natomiast może się pojawić przepięcie łączeniowe, którego wartość szczytowa kilkukrotnie przekracza wartość napięcia zasilającego [3]. Ze względu na te niekorzystne warunki należy zastosować aparat łączeniowy pozwalający na sterowanie tego typu odbiornikami lub w znacznym zakresie obniżyć moc załączanych elementów. Dla lamp energooszczędnych obniżenie dopuszczalnej wartości mocy załączanych źródeł jest jeszcze większe. Dla opisywanych elementów jest to nie więcej niż 12% mocy znamionowej pozornej dla pojedynczego wyjścia sterującego.

Rys. 2 Przykładowe podłączenie sterownika rolet TXA223 [2]

Jak pokazano (tabl. 1), producenci mogą podawać kategorię użytkowania dla danego elementu wykonawczego. Kategoria ta jest szczególnie istotna przy łączeniu obwodów o charakterze indukcyjnym, przykładowo zawierających silnikowe sterowniki rolet. Warunki załączania i wyłączania w zależności od kategorii użytkowania przedstawiono w tabl. 3. Kategoria AC-1 odnosi się do łączenia obwodów bezindukcyjnych lub o małej indukcyjności (np. piece oporowe), AC-2 – łączenie silników pierścieniowych, AC-3 – łączenie silników klatkowych i AC-4 – łączenie silników klatkowych (rozruch, rewersowanie, hamowanie przeciwprądem, impulsowanie). Szczególnie istotnym parametrem mającym wpływ na obciążalność sterowników jest stosunek prądu załączanego do znamionowego łączeniowego Ic/Ie.

Tabl. 3 Warunki załączania i wyłączania w zależności od kategorii użytkowania [4]

I_c – prąd załączalny lub wyłączalny – wartość skuteczna składowej okresowej prądu przemiennego

I_e – prąd znamionowy łączeniowy

U_r – napięcie powrotne o częstotliwości sieciowej

U_e – napięcie znamionowe łączeniowe

cos φ – współczynnik mocy obwodu probierczego

¹⁾ cos φ wynosi 0,45 dla I_e ≤ 100 A i 0,35 dla I_e ≥ 100 A

Dobór sterowników

Rozpatrzony zostanie przypadek doboru dla elementu LCN-R8H. Pod uwagę należy wziąć nie tylko maksymalną wartość prądu znamionowego roboczego, ale również zastosowany materiał stykowy i maksymalny (szczytowy) prąd załączeniowy. Obecnie najczęściej stosowane materiały stykowe, w niskonapięciowych przekaźnikach prądu przemiennego, to spieki srebra z: niklem AgNi, tlenkiem kadmu AgCdO i tlenkiem cyny AgSnO2. Ich właściwości są następujące [5, 6]:

– AgNi wykazuje małą wędrówkę materiału, jest nieodporny na działanie siarki i jej związków oraz jest skłonny do tworzenia tlenków;

– AgCdO jest wrażliwy na siarkę, cechuje się odpornością na sczepianie styków, jego zastosowanie sprzyja procesowi gaszenia łuku elektrycznego, jest też odporny na wędrówkę materiału;

– AgSnO2 odznacza się wysoką stabilnością termiczną i odpornością na wędrówkę materiału, cechuje się stabilną rezystancją przejścia zestyku.

Dla rozpatrywanego sterownika zastosowano jako materiał stykowy spieki srebra z tlenkiem cyny (AgSnO2).

Dla ośmiowyjściowego modułu przekaźnikowego LCN-R8H prąd znamionowy wynosi 16 A w kategorii użytkowania AC-1. Gdyby do wyjścia takiego modułu został podłączony odbiornik zaliczany do wyższej kategorii użytkowania, to prąd załączeniowy Ic obwodu byłby wielokrotnie większy niż znamionowy prąd łączeniowy Ie (tabl. 4).

Tabl. 4 Zależność prądu rozruchowego od kategorii użytkowania przy założeniu, że prąd znamionowy łączeniowy wynosi 16 A

Na podstawie wartości przedstawionych w tabl. 3 oraz 4 można jednoznacznie stwierdzić, że niedopuszczalne jest zasilanie odbiornika znacznym prądzie rozruchowym niskim współczynniku mocy do wyjścia omawianego sterownika. Próba załączenia w takim przypadku najprawdopodobniej skończy się natychmiastowym uszkodzeniem elementu. Należy tak dobrać parametry odbiornika, aby sterownik mógł bez problemu dokonać operacji łączeniowych, pracując w sposób bezawaryjny przez długi czas. W tym celu należy uwzględnić zastosowany materiał stykowy w danym sterowniku oraz powiązaną z nim wartość maksymalnego prądu załączanego. Uwzględnienie wartości maksymalnego prądu załączanego nastręcza pewien problem jego interpretacji. Poprzez wartość prądu załączeniowego, dla poszczególnych kategorii użytkowania odbiorników, pokazuje wartość skuteczną składowej okresowej. W katalogach producentów można natomiast odnaleźć sformułowania typu „maksymalny prąd załączania” lub „maksymalny prąd udarowy”. Pojawia się pytanie, czy określa on wartość skuteczną, czy szczytową prądu występującą przy załączaniu? W analizie przedstawionej w tabl. 5 zaprezentowane zostały wyniki obliczeń dla obu możliwych interpretacji. Obliczony został znamionowy prąd roboczy urządzenia elektrycznego dla danej kategorii użytkowania, który ze względu na dopuszczalne prądy rozruchowe można bezpiecznie zasilić z rozpatrywanego sterownika. Prąd ten został wyznaczony dla dwóch przypadków. Po pierwsze (I_nc), dla przypadku kiedy prąd załączalny określa wartość skuteczną prądu. Po drugie (I_np), dla przypadku kiedy prąd załączalny określa wartość szczytową prądu. Na przykład chcielibyśmy podłączać do naszego sterownika odbiornik o prądzie rozruchowym 8_ln (AC-3) i prądzie znamionowym roboczym 8 A (szczytowym prądzie rozruchowym). Zakładamy, że interesuje nas wartość I_np a więc odnosząca się do wartości szczytowej prądu. Z analizy danych można stwierdzić, że takiego odbiornika nie możemy zasilić z wybranego sterownika. Zasilanie odbiorników o innej wartości współczynnika mocy również może się wiązać ze zmniejszeniem trwałości łączeniowej przekaźników. Przykładowa zależność trwałości łączeniowej od mocy obciążenia przedstawiona została na rys. 3. Trwałość ta wyznaczona jest dla kategorii użytkowania AC-1 i wykazuje silną zależność od mocy załączanej (przy ograniczeniu częstości łączeń do 600 cykli/h). Minimalna trwałość łączeniowa występuje dla maksymalnej mocy obciążenia i wynosi 0,7•10⁵ [7]. Przy zasilaniu odbiornika zaliczanego do kategorii użytkowania AC-3, czyli o współczynniku mocy nawet na poziomie 0,45 (tabl. 3), trwałość ta ulega zmniejszeniu. Zależność ta jest nieliniowa i została przedstawiona na rys. 4 i 5 według danych dwóch producentów przekaźników.

Rys. 3 Trwałość łączeniowa przekaźników, w funkcji mocy obciążenia, częstość łączeń 600 cykli/h [7]

Przy współczynniku mocy obciążenia 0,45 współczynnik poprawy odczytany z wykresów wynosi 0,75. Oznacza to, że maksymalna trwałość łączeniowa maleje o 25% i wynosi ok. 0,7•10⁵ • 0,75 ≈ 0,5•10⁵ cykli łączeniowych. Przykładowo dla odbiornika kategorii AC-4 o prądzie znamionowym 5 A (wg tabl. 5) i współczynniku mocy 0,45 trwałość łączeniowa prezentuje się w sposób następujący. Z rys. 3 odczytujemy maksymalną liczbę łączeń dla mocy 1150 VA (5 A x 230 V), która wynosi w ok. 2•10⁵. Uwzględniając współczynnik redukcji dla wskazanego współczynnika mocy z rys. 4, który wynosi 0,75, otrzymujemy trwałość łączeniową na poziomie 1,5 • 10⁵ cykli łączeniowych.

Rozważania te prowadzą do następujących wniosków:

– kategoria użytkowania odbiornika wpływa na dopuszczalną moc obciążenia przekaźnika,

– rodzaj materiału stykowego zastosowanego w przekaźniku może ograniczać w znacznym stopniu zdolność łączeniową sterownika,

– łączenie odbiorników o charakterze innym niż kategorii użytkowania AC-1 zmniejsza trwałość łączeniową przekaźnika.

Tabl. 5 Wartości prądu znamionowego roboczego urządzenia, w zależności od kategorii użytkowania i od dopuszczalnej wartości maksymalnego prądu załączanego

Z tych powodów procedura doboru sterownika do danego obciążenia powinna zostać pogłębiona o dodatkowe czynniki, takie jak: prąd rozruchowy, czas trwania rozruchu, materiał stykowy itd. Rozwiązania problemu doboru sterownika ze względu na dopuszczalną obciążalność mogą być różne. Można zwiększyć prąd znamionowy roboczy sterownika, zamiast urządzenia o prądzie 4 A wybrać element wykonawczy o większej wartością tego parametru (np. 16 A). Takie rozwiązanie w sposób bezpośredni zwiększa koszty instalacji oraz ewentualne koszty wymiany uszkodzonego przekaźnika. Inne rozwiązanie może polegać na wykorzystaniu styczników pośredniczących, które byłyby załączane przez sterownik. Pozwala to dobrać sterownik o mniejszym prądzie znamionowym łączeniowym. Jednocześnie w przypadku łączenia odbiorników o znacznym prądzie rozruchowym może to powodować problemy ze stycznikiem. Jeżeli nastąpi uszkodzenie elementu łączeniowego, to jego wymiana okaże się tańsza i prostsza niż wymiana całego sterownika. Wadą takiego rozwiązania jest wzrost rozmiaru rozdzielnicy elektrycznej oraz w pewnym stopniu wzrost skomplikowania połączeń w jej wnętrzu.

Rys. 4 Współczynnik redukcji trwałości łączeniowej przekaźników dla indukcyjnych obciążeń prądu przemiennego [7]

Rys. 5 Redukcja współczynnika obciążenia przekaźników w funkcji cos φ [8]

Dobór zabezpieczeń przetężeniowych

W celu ochrony od skutków zwarć i przeciążeń w obwodach ze sterownikami stosuje się wyłączniki nadmiarowoprądowe (instalacyjne). Obowiązek ten wynika z rozporządzenia [9]. Charakterystyki pasmowe czasowo- prądowe wyłączników instalacyjnych przedstawiono na rys. 6. Podstawowymi kryteriami doboru zabezpieczenia przetężeniowego będzie jego prąd znamionowy roboczy i charakterystyka czasowoprądowa. W odniesieniu do wartości prądu rozruchowego przedstawionego w tabl. 3 dla poszczególnych kategorii użytkowania dobór zabezpieczenia będzie następujący:

AC-1 – wyłącznik o charakterystyce B,

AC-2 – wyłącznik o charakterystyce C,

AC-3 i AC-4 wyłącznik o charakterystyce D.

Dobór ten jest uzależniony od maksymalnej wartości prądu rozruchowego odbiornika, który nie spowoduje zadziałania zabezpieczenia w warunkach normalnej bezawaryjnej pracy. Wybór zabezpieczenia ze względu na wartość znamionowego prądu roboczego, na podstawie wartości przedstawionych w tabl. 5 (w odniesieniu do prądu I_np), przedstawia się następująco: dla kategorii AC-1 prąd znamionowy zabezpieczenia to 16 A, dla AC-2 – 13 A, dla AC-3 to 10 A i w końcu dla AC-4 to 6 A. Wybór charakterystyki pasmowej zabezpieczenia wpływa na ilość energii przenoszonej podczas załączania obwodu zwartego [11], a tym samym może mieć wpływ na groźne w skutkach następstwa dla układu stykowego łącznika.

Rys. 6 Charakterystyki pasmowe wyłączników instalacyjnych B, C i D [10]

Podsumowanie

Właściwy dobór przekaźnikowych elementów systemów automatyki budynkowej powinien uwzględniać m.in.: prąd znamionowy obciążenia, charakter pracy odbiornika oraz wartość prądu rozruchowego, i zależny jest również od materiału stykowego zastosowanego w przekaźniku. Należy również odpowiednio dobrać zabezpieczenie przetężeniowe w postaci wyłącznika instalacyjnego. Niewłaściwy wybór jednego z wymienionych elementów może prowadzić do ograniczenia trwałości instalacji i/lub przerw w jej działaniu związanych ze zbędnym działaniem zabezpieczenia.

Andrzej Książkiewicz

Instytut Elektroenergetyki

Politechmika Poznańska

Uwaga: artykuł był prezentowany na XVIII Sympozjum Oddziału Poznańskiego SEP z cyklu „Współczesne urządzenia oraz usługi elektroenergetyczne, telekomunikacyjne i informatyczne”, 18-19 listopada 2015 r. w Poznaniu.

Bibliografia

1. LCN, Katalog produktów, 2012/2013.

2. Hager, Osprzęt elektroinstalacyjny + Automatyka budynkowa, katalog, 2013.

3. A. Książkiewicz, A. Kamińska, Łączenie źródeł światła sterownikami KNX, XI Sympozjum Oddziału Poznańskiego Stowarzyszenia Elektryków Polskich „Współczesne urządzenia oraz usługi elektroenergetyczne, telekomunikacyjne i informatyczne”, Poznań 2008.

4. PN-EN 60947-4.1, 2006.

5. A. Książkiewicz, J. Janiszewski, Low voltage relay contact resistance change influence by short-circuit current, Eksploatacja i Niezawodność – Maintenance and Reliability, 17(4]/2015.

6. A. Książkiewicz, Comparision of selected contact materials used in low voltage relays, Poznan University of Technology Academic Journals „Electrical Engineering”, 82/2015, Poznań.

7. Relpol, Przekaźniki, katalog, 2015.

8. Finder, Przekaźniki, katalog, 2013.

9. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. Nr 75, poz. 690 z późn. zm.).

10. B. Lejdy, Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2005.

11. A. Książkiewicz, Selektywna praca wyłączników instalacyjnych podczas zwarć, „Elektro.info” nr 9/2015.