Styczniki - rodzaje, parametry i dobór do aplikacji

Styczniki należą do podstawowych aparatów łączeniowych stosowanych w automatyce przemysłowej, układach napędowych i rozdzielnicach. Umożliwiają zdalne, częste załączanie oraz wyłączanie obwodów elektrycznych za pomocą sygnału podawanego na cewkę sterującą. Ich dobór nie powinien jednak opierać się wyłącznie na prądzie znamionowym lub mocy silnika. Znaczenie mają również kategoria użytkowania, napięcie robocze, prąd Ie, napięcie cewki, częstotliwość łączeń oraz trwałość elektryczna. W artykule wyjaśniamy, jak działa stycznik, czym różnią się podstawowe kategorie AC-1, AC-3 i AC-4 oraz jak prawidłowo dobrać aparat do silnika i innych odbiorników przemysłowych.

Z artykułu dowiesz się:

• jak działa stycznik elektromagnetyczny;
• czym różnią się styczniki główne i pomocnicze;
• co oznaczają kategorie użytkowania AC-1, AC-3 i AC-4;
• jakie znaczenie mają parametry Ie, Ue i Uc;
• jak dobrać stycznik do silnika klatkowego;
• czym różni się dobór do pracy normalnej, rewersyjnej i impulsowej;
• dlaczego stycznik nie zastępuje zabezpieczenia przeciążeniowego ani zwarciowego.

Co to jest stycznik i jak działa?

Stycznik jest aparatem łączeniowym przeznaczonym do częstego, zdalnego załączania i wyłączania obwodów elektrycznych. W automatyce przemysłowej wykorzystuje się go przede wszystkim do sterowania silnikami, grzałkami i innymi odbiornikami mocy.

Klasyczny stycznik elektromagnetyczny składa się m.in. z cewki, układu magnetycznego, ruchomej zwory oraz styków głównych i pomocniczych. Po podaniu odpowiedniego napięcia na cewkę sterującą powstaje pole magnetyczne, które powoduje przemieszczenie zwory i zmianę położenia styków. Po zaniku napięcia cewki mechanizm wraca do położenia spoczynkowego.

Styki główne służą do łączenia torów mocy. W stycznikach przeznaczonych do silników trójfazowych są to najczęściej trzy tory główne. Styki pomocnicze NO lub NC wykorzystuje się natomiast w obwodach sterowania, m.in. do podtrzymania, blokad elektrycznych, sygnalizacji stanu i przekazywania informacji do sterownika PLC.

Należy pamiętać, że stycznik nie jest aparatem zabezpieczającym przed przeciążeniem ani zwarciem. W układzie napędowym współpracuje z odpowiednio dobranym zabezpieczeniem zwarciowym oraz przeciążeniowym, np. wyłącznikiem silnikowym lub przekaźnikiem przeciążeniowym.

Jakie są podstawowe rodzaje styczników?

W praktyce przemysłowej najważniejszy podział wynika z przeznaczenia aparatu, liczby torów głównych oraz rodzaju układu sterowania. Nie należy przy tym utożsamiać każdego urządzenia elektronicznego przełączającego obciążenie ze stycznikiem elektromagnetycznym.

Styczniki mocy służą do łączenia obwodów o większych prądach, przede wszystkim silników i innych odbiorników przemysłowych. Ich parametry podaje się dla określonych kategorii użytkowania, napięć roboczych i warunków eksploatacji.

Styczniki pomocnicze są przeznaczone głównie do realizacji funkcji logicznych w obwodach sterowania. Mają większą liczbę styków pomocniczych NO i NC, ale ich tory nie są przeznaczone do bezpośredniego łączenia dużych obciążeń mocy.

Osobną grupę stanowią aparaty przeznaczone do konkretnych zastosowań, np. do łączenia baterii kondensatorów czy układów oświetleniowych. Takie zastosowania mają własne kategorie użytkowania i nie powinny być oceniane wyłącznie na podstawie wartości prądu znamionowego.

Kategorie użytkowania styczników – AC-1, AC-3 i AC-4

Kategoria użytkowania jest jednym z najważniejszych parametrów przy doborze stycznika. Określa rodzaj obciążenia oraz warunki, w których stycznik załącza i rozłącza prąd. Ten sam aparat może mieć zupełnie inną dopuszczalną wartość prądu w kategorii AC-1 niż w AC-3.

AC-1 – obciążenia nieindukcyjne lub lekko indukcyjne

Kategoria AC-1 dotyczy obciążeń nieindukcyjnych lub lekko indukcyjnych, np. grzejników rezystancyjnych. W takich obwodach warunki wyłączania są stosunkowo łagodne, ponieważ po otwarciu styków nie występują zjawiska charakterystyczne dla silników.

Dlatego wartość prądu Ie podawana dla AC-1 jest często wyższa niż prąd dopuszczalny dla tego samego stycznika w kategorii AC-3. Nie można więc na podstawie wartości AC-1 oceniać przydatności aparatu do sterowania silnikiem.

AC-3 – standardowa praca silników klatkowych

Kategoria AC-3 jest jedną z najczęściej stosowanych w automatyce przemysłowej. Dotyczy silników klatkowych, które są załączane ze stanu zatrzymania, a następnie wyłączane podczas normalnej pracy.

Podczas załączenia stycznik musi przenieść prąd rozruchowy silnika, który może być kilkukrotnie większy od jego prądu znamionowego. Schneider Electric wskazuje dla typowych silników klatkowych wartości rzędu około 5–7 razy prąd znamionowy. Podczas normalnego wyłączenia stycznik przerywa natomiast prąd zbliżony do znamionowego prądu pracy silnika.

Z tego powodu do silnika nie należy dobierać stycznika według parametru AC-1. Trzeba posługiwać się wartością Ie dla AC-3 przy konkretnym napięciu roboczym albo tabelą doboru według mocy silnika przygotowaną przez producenta.

AC-4 – rewers, hamowanie przeciwprądowe i praca impulsowa

Kategoria AC-4 obejmuje znacznie cięższe warunki łączeniowe niż AC-3. Dotyczy m.in. rozruchu, hamowania przeciwprądowego, częstej zmiany kierunku obrotów oraz pracy impulsowej typu inching lub jogging.

W takich warunkach stycznik może rozłączać prąd silnika w czasie, gdy jego wartość nadal jest wielokrotnie większa od znamionowej. ABB wskazuje, że w AC-4 przy analizie trwałości można przyjmować prąd wyłączany na poziomie około 6 × Ie, podczas gdy w AC-3 podczas normalnego wyłączenia jest to około Ie.

Dlatego aplikacji rewersyjnej lub intensywnej pracy impulsowej nie należy traktować tak samo jak zwykłego start-stop w kategorii AC-3. Konieczna jest analiza trwałości elektrycznej stycznika oraz liczby operacji.

Kategoria	Rodzaj obciążenia	Warunki pracy
AC-1	obciążenia nieindukcyjne lub lekko indukcyjne	normalne załączanie i wyłączanie
AC-3	silniki klatkowe	rozruch i wyłączenie silnika podczas normalnego biegu
AC-4	silniki klatkowe	rozruch, rewers, hamowanie przeciwprądowe, praca impulsowa

Najważniejsze parametry stycznika

Podczas doboru należy analizować kilka parametrów jednocześnie. Jednym z podstawowych jest Ie – znamionowy prąd roboczy, ale wartość ta zawsze odnosi się do określonego napięcia roboczego i kategorii użytkowania.

Ue – znamionowe napięcie robocze określa napięcie, przy którym podane parametry łączeniowe stycznika są obowiązujące. Ten sam stycznik może mieć różne dopuszczalne prądy lub moce silników przy 230, 400, 500 czy 690 V.

Uc – napięcie sterowania cewki musi odpowiadać napięciu dostępnemu w obwodzie sterowania. W przemysłowych układach automatyki często stosuje się cewki 24 V DC, ale dostępne są również wersje przeznaczone do innych napięć AC i DC.

W przypadku sterowania cewką z wyjścia PLC trzeba dodatkowo sprawdzić jej pobór mocy lub prądu, zwłaszcza podczas załączenia. Nie każde wyjście sterownika może bezpośrednio zasilać cewkę każdego stycznika.

Znaczenie mają również:

• liczba biegunów głównych;
• liczba i układ styków pomocniczych;
• trwałość mechaniczna i elektryczna;
• dopuszczalna częstotliwość łączeń;
• temperatura otoczenia;
• warunki montażu;
• kompatybilność z przekaźnikiem przeciążeniowym;
• dostępność blokad mechanicznych i pozostałych akcesoriów.

Jak dobrać stycznik do silnika elektrycznego?

Dobór stycznika do silnika należy rozpocząć od odczytania parametrów znamionowych napędu. Podstawowe znaczenie mają napięcie pracy, prąd znamionowy silnika, moc oraz sposób jego eksploatacji.

Dla typowego silnika klatkowego pracującego w układzie start-stop, bez częstego rewersowania i hamowania przeciwprądowego, punktem wyjścia jest zazwyczaj kategoria AC-3.

Następnie w danych producenta należy sprawdzić, jaki prąd Ie w AC-3 stycznik może przenosić przy danym napięciu. Można również korzystać z tabel określających dopuszczalną moc silnika w kW, ale trzeba pamiętać, że moc jest zawsze powiązana z konkretnym napięciem.

Przykładowo ten sam model stycznika może być przeznaczony do silnika o innej mocy przy 230 V niż przy 400 V. Z tego powodu określenie „stycznik do silnika 5,5 kW” jest niepełne, jeżeli nie wiadomo, przy jakim napięciu i w jakiej kategorii użytkowania ma pracować.

Przy doborze warto przejść przez następujące etapy:

1. odczytać prąd i napięcie znamionowe silnika;
2. określić sposób pracy napędu;
3. wybrać właściwą kategorię użytkowania;
4. dobrać Ie stycznika dla danego Ue;
5. sprawdzić wymaganą trwałość elektryczną i częstotliwość łączeń;
6. dobrać napięcie cewki do obwodu sterowania;
7. określić potrzebne styki pomocnicze;
8. zweryfikować współpracę z zabezpieczeniem przeciążeniowym i zwarciowym;
9. uwzględnić warunki środowiskowe oraz zalecenia producenta.

Stycznik w układzie rewersyjnym

Do zmiany kierunku obrotów trójfazowego silnika klatkowego stosuje się zazwyczaj dwa styczniki, które zamieniają kolejność dwóch faz zasilających silnik.

Kluczowe jest uniemożliwienie jednoczesnego załączenia obu aparatów. W przeciwnym przypadku mogłoby dojść do zwarcia międzyfazowego. Dlatego stosuje się blokadę mechaniczną oraz odpowiednią blokadę elektryczną w obwodzie sterowania.

Jeżeli zmiana kierunku następuje dopiero po zatrzymaniu silnika, warunki pracy mogą być inne niż przy rewersowaniu „w locie”. Gdy stycznik przełącza kierunek podczas ruchu silnika, mamy do czynienia z cięższymi warunkami odpowiadającymi kategorii AC-4. W takim przypadku należy dobierać aparat z uwzględnieniem liczby operacji i wymaganej trwałości elektrycznej.

Styczniki w układzie gwiazda–trójkąt

Klasyczny rozruch gwiazda–trójkąt wykorzystuje trzy styczniki: główny, gwiazdy i trójkąta. Nie należy jednak automatycznie dobierać wszystkich trzech dokładnie tak samo jak stycznika do bezpośredniego rozruchu DOL.

Prądy płynące przez poszczególne aparaty zależą od ich miejsca w układzie oraz sposobu połączenia. Z tego względu producenci aparatury udostępniają gotowe tabele doboru zestawów gwiazda–trójkąt dla konkretnych mocy silników, napięć i sposobów rozruchu.

Najbezpieczniejszą praktyką jest korzystanie właśnie z takich tabel koordynacyjnych, zamiast stosowania uproszczonego mnożnika dla wszystkich trzech styczników. Pozwala to jednocześnie dobrać aparaty łączeniowe, zabezpieczenie zwarciowe i przekaźnik przeciążeniowy jako jeden skoordynowany układ.

Cewka stycznika – AC czy DC?

Rodzaj cewki nie zmienia przeznaczenia głównych torów stycznika. Dotyczy jedynie sposobu sterowania aparatem.

W układach automatyki bardzo często stosuje się cewki 24 V DC, ponieważ takie napięcie jest standardowo dostępne z zasilaczy systemów sterowania i dobrze współpracuje z PLC. W innych instalacjach spotyka się również cewki zasilane napięciem przemiennym.

Przy doborze należy sprawdzić nie tylko wartość napięcia, lecz także dopuszczalny zakres napięcia sterującego oraz pobór cewki. W przypadku cewek sterowanych elementami elektronicznymi warto zwrócić uwagę również na sposób tłumienia przepięć powstających podczas wyłączania.

Nie należy natomiast przyjmować ogólnej zasady, że cewka DC jest zawsze lepsza, a AC gorsza. Wybór wynika z architektury obwodu sterowania i parametrów konkretnego aparatu.

Dobór stycznika do obciążenia rezystancyjnego

W przypadku grzałek rezystancyjnych najczęściej analizuje się parametry dla kategorii AC-1. Obciążenie takie jest łatwiejsze do łączenia niż typowy silnik indukcyjny, dlatego ten sam stycznik może mieć wyższy dopuszczalny prąd w AC-1 niż w AC-3.

Nie oznacza to jednak, że wystarczy porównać prąd odbiornika z największą wartością podaną na obudowie stycznika. Trzeba sprawdzić, czy wartość Ie dotyczy właśnie kategorii AC-1 i odpowiedniego napięcia roboczego.

Przy pracy ciągłej znaczenie ma również nagrzewanie aparatu i warunki w rozdzielnicy. Wysoka temperatura otoczenia może wymagać uwzględnienia współczynników korekcyjnych podanych przez producenta.

Oświetlenie, transformatory i kondensatory – nie zawsze AC-1

Nie każde obciążenie inne niż silnik należy automatycznie przypisywać do AC-1. Norma IEC 60947-4-1 przewiduje również inne kategorie użytkowania, np.:

• AC-5a – załączanie lamp wyładowczych;
• AC-5b – załączanie lamp żarowych;
• AC-6a – załączanie transformatorów;
• AC-6b – załączanie baterii kondensatorów.

Jest to istotne, ponieważ niektóre odbiorniki mogą generować bardzo wysokie prądy załączeniowe mimo niewielkiego prądu ustalonego. Dotyczy to również części współczesnych zasilaczy i układów oświetleniowych.

W takich zastosowaniach należy korzystać z tabel producenta przeznaczonych dla konkretnego rodzaju obciążenia, zamiast dobierać stycznik wyłącznie na podstawie wartości prądu ciągłego.

Trwałość elektryczna stycznika

Stycznik może wykonać bardzo dużą liczbę operacji mechanicznych, ale trwałość elektryczna jest zwykle mniejsza i silnie zależy od charakteru obciążenia.

Każde otwarcie styków pod obciążeniem powoduje powstawanie łuku elektrycznego i stopniowe zużywanie powierzchni stykowych. Im trudniejsze warunki wyłączania, tym szybsze zużycie.

Dlatego aparat pracujący w AC-4 przy częstym rewersowaniu może osiągnąć znacznie mniejszą liczbę cykli niż ten sam model pracujący w AC-3. ABB zaleca przy doborze uwzględnianie wymaganej liczby cykli oraz odpowiednich wykresów trwałości dla konkretnej kategorii użytkowania.

W maszynach wykonujących dużą liczbę przełączeń na godzinę parametr ten może mieć większe znaczenie niż sam minimalny prąd znamionowy aparatu.

Stycznik a zabezpieczenie silnika

Stycznik odpowiada za łączenie obwodu, ale nie zabezpiecza samodzielnie silnika przed wszystkimi stanami awaryjnymi.

Typowy układ napędowy obejmuje kilka funkcji:

• zabezpieczenie zwarciowe;
• zabezpieczenie przeciążeniowe;
• aparat łączeniowy;
• elementy sterowania.

Funkcje te mogą być realizowane przez różne kombinacje wyłączników silnikowych, przekaźników przeciążeniowych, bezpieczników i styczników.

Przy doborze warto korzystać z tabel koordynacyjnych producenta. Pozwalają one dobrać współpracujące aparaty dla określonego silnika, napięcia oraz spodziewanego prądu zwarciowego i uzyskać wymagany poziom koordynacji zestawu.

Najczęstsze błędy przy doborze stycznika

Jednym z najczęstszych błędów jest wybór aparatu na podstawie wartości prądu dla AC-1, mimo że stycznik ma sterować silnikiem w AC-3. Może to prowadzić do zastosowania aparatu o niewystarczającej obciążalności łączeniowej.

Drugim błędem jest dobór wyłącznie według mocy silnika bez sprawdzenia napięcia. Wartości kW podawane przez producenta zawsze odnoszą się do określonych warunków pracy.

Należy również uważać na:

• niewłaściwe napięcie cewki;
• nieuwzględnienie poboru cewki przez wyjście PLC;
• brak odpowiedniej blokady w układzie rewersyjnym;
• pomijanie kategorii AC-4 przy częstym rewersowaniu lub pracy impulsowej;
• nieuwzględnienie częstotliwości łączeń;
• brak koordynacji z zabezpieczeniem przeciążeniowym i zwarciowym;
• dobór stycznika do nietypowego odbiornika wyłącznie według prądu ustalonego.