Dimensionering van stroomonderbrekers voor zelfregelende verwarmingen

Transcriptie

1 Inleiding De maatvoering voor circuitschakelaars voor S/R-tracers wordt gemakkelijk verkregen met de gegevens van het specificatieblad of CompuTrace heat tracing-ontwerpsoftware. Soms vraagt een technicus of ontwerper echter "Wat is de technische basis voor maatgegevens en de resulterende ontwerpwaarden?. Deze ThermoTip is bedoeld om de technische basis te laten zien van de manier waarop de waarde van de circuitschakelaar kan worden bepaald. Belangrijke factoren in correcte waardebepaling zijn: () de gespecificeerde starttemperatuur, (2) het type en belastingscapaciteit van de onderbreker, (3) de specifieke opstartkarakteristiek van de S/R-verwarg, en (4) de totale lengte van op de onderbreker aangesloten verwarg. Weerstandskarakteristiek Aangezien een zelfregelende verwarg een PTC (positieve temperatuurcoëfficiënt) weerstandskarakteristiek heeft, neemt de weerstand toe met de temperatuur. Effectieve weerstand (ohm/m) Temperatuur C Fig.: Effectieve weerstand vs. effectieve weerstand vs. verwargstemperatuur Een voorbeeld van effectieve verwargsweerstand als een functie van verwargs- (niet-leiding) temperatuur wordt getoond in figuur. Dit voorbeeld is voor een verwarg voor bescherg tegen bevriezing. Let op dat de weerstand van deze verwarg voor bescherg tegen bevriezing geleidelijk verhoogt van -2 ºC tot 3 ºC. Het typische bedrijfstemperatuurbereik van de verwarg ligt tussen 4 ºC tot 6 ºC. Boven de 6 ºC begint de verwarg behoorlijk in weerstand toe te nemen wanneer deze zijn afsluittemperatuur van bijna 8 ºC benadert. Startstroomkarakteristiek Deze weerstandsverandering bij de verwargstemperatuur produceert de startstroomkarakteristiek van een S/R-verwarg. Een illustratief voorbeeld van de startstroomkarakteristiek van een S/R-verwarg wordt getoond in figuur 2. Genormaliseerde stroom, 5,, Piek Elektrisch/thermisch evenwicht van verwargskabel De startstroomrespons kan worden drie stroomwaardes: Thermisch evenwicht van leiding,, Logtijd (seconden) Fig. 2: Zelfregelende startstroomrespons van de verwarg beschreven door Piek de stroom die optreedt net na het aanzetten wanneer de verwargstemperatuur hetzelfde is als de leidingtemperatuur (tijdens systeemstart) Maximale stroom het stroomniveau nadat de verwarg zijn evenwichtstemperatuur boven de leidingtemperatuur heeft bereikt (gewoonlijk 3 seconden na activering) Bedrijfsstroom het stroomniveau wanneer de leiding zijn bedrijfstemperatuur of continue temperatuur heeft bereikt (meerdere uren na activering afhankelijk van de buisdiameter en vloeistof) De verwargstemperatuur en leidingtemperatuur voor deze drie stroomniveaus worden getoond in figuur 3. T verwarg = -2 C R = 24 Ω/m = -2 C Op tijdstip = + (het aanzetten) Fig. 3a Maximum T verwarg = +44 C R = 66 Ω/m = -2 C Op tijdstip = 3 seconden Fig. 3b Bedrijf T verwarg = +59 C R = 5 Ω/m = +5 C Op tijdstip = 4 u Fig. 3c Leiding en verwargstemperatuur tijdens opstart Afb. 3(a) toont de leiding en verwarg bij aanzetten. De leiding en verwarg hebben dezelfde temperatuur van -2 ºC. In dit voorbeeld is de verwargsweerstand 24 W/m. De stroom voor deze weerstand is PIEKstroom. Afb. 3(b) toont de leiding en verwarg na 3 seconden. Op Form TT22-9

2 dat moment is de leidingtemperatuur niet veranderd, maar de verwarg heeft zijn evenwichtstemperatuur van 44 C boven de -2 C leidingtemperatuur bereikt. De verwargsweerstand bij 44 C is 66 W/m. Dit resulteert in MAXIMALE stroom. Afb. 3(c) toont de leiding bij een bedrijfstemperatuur van 5 C Afhankelijk van de buisdiameter kan het meerdere uren hebben geduurd voor deze temperatuur werd verkregen. De verwargstemperatuur is nu 59 C en heeft een weerstand van 5 W/m. De stroom bij dit weerstandsniveau is BEDRIJFSstroom. Voor deze voorbeeldverwarg wordt de effectieve weerstand in figuur 4 getoond als een functie van opstarttijd en van verwargstemperatuur Tijd = 4 u 25 2 Tijd = 3 s 5 Tijd = Temperatuur C Fig.4: Effectieve weerstand vs. verwargstemperatuur en tijd Effectieve weerstand (ohm/m) Dit is de basis voor de karakteristieke startstroomrespons als getoond in figuur 2. Bij de waardebepaling van de onderbreker, mag de startstroomrespons van de verwarg de (imale) uitschakelcurve van de onderbreker niet kruisen. Stroomonderbreker eigenschappen Uitschakelcurves van de circuitschakelaars worden gewoonlijk getoond in log-log grafieken met een veelvoud van de noale stroom als een functie van tijd. Bij seconden is het meervoud van noale stroom op of dichtbij eenheid. Een voorbeeld van een karakteristieke responsgrafiek van een Noord-Amerikaanse circuitschakelaar wordt getoond in figuur 5. Let op dat voor deze karakteristiek Noord-Amerikaanse circuitschakelaar, de imale uitschakelcurve een piekstroom van keer de CB-klasse toelaat. Dat betekent dat voor een 2 A onderbreker een piekstroom van 2 A zou worden toegestaan en de onderbreker niet zou activeren. Echter, na seconden moet de stroom onder 2, keer de CB-klasse liggen of in dit geval van een 2 A onderbreker, 42 A. Uitschakelkarakteristieken van circuitschakelaars zijn niet allemaal hetzelfde. Twee andere algemene internationale uitschakelkarakteristieken van circuitschakelaars zijn Type C en Type B. De uitschakelcurves voor deze twee typen circuitschakelaars worden getoond in figuur 6(a) en 6(b). Fig. 5: Karakteristieke Noord-Amerikaanse uitschakelcurve van de circuitschakelaar Fig. 6a: Karakteristieke IEC uitschakelcurve van de Type C-circuitschakelaar Fig. 6b: Karakteristieke uitschakelcurve van de IEC Type B-circuitschakelaar Form TT22-9 2

3 Anders dan bij een lagere toelaatbare piekstroom, is de internationale Type C-responsgrafiek in figuur 6(a) vrij vergelijkbaar met die van de normale Noord-Amerikaanse circuitschakelaar. De toelaatbare piekstroom voor de Type B circuitschakelaar is veel lager met een vermenigvuldigingsfactor van 2,. Bij de bepaling van de S/R-warmtebelasting voor een circuitschakelaar, is het belangrijk naast zijn belastingscapaciteit ook de onderbrekerklasse of het type te specificeren. Dimensioneringsproces van de circuitschakelaar Als eerder aangegeven moet de belastingscapaciteit van de circuitschakelaar zo worden gekozen dat de startstroomrespons van de verwarg onder de imale uitschakelstroomcurve ligt. Of als alternatief voor een gespecificeerde circuitschakelaar, moet de lengte van de kabel zo worden gekozen dat de resulterende verwargsstroomrespons onder de uitschakelcurve ligt. Voor veel S/R-verwargsopties ligt de startstroomrespons van de verwarg, als de imale stroomwaarde (stroom bij 3 seconden) gelijk is aan of lager dan de circuitschakelaarklasse, onder de uitschakelcurve van de circuitschakelaar (er is geen kruising). Figuur 7 toont een voorbeeld. De opstartgrafiek van de verwarg ligt op alle punten onder de. Dit kan het geval zijn als de imale stroom van de S/R-verwarg bij 3 sec net onder 2 A en de circuitschakelaarklasse wordt 2 A is. Er zijn gevallen waarbij de imale stroom van de verwarg en circuitschakelaarklasse hetzelfde zijn en de startstroom van de verwarg de kruist. Voorbeelden worden getoond in figuur 8(a) en 8(b). Voor de QO-onderbreker trad de intersectie bijvoorbeeld op in de eerste seconden. Voor de onderbreker van het type B trad de intersectie op bij tijd + met piekstroom. Fig. 8a: Karakteristieke Noord-Amerikaanse Fig. 7: Karakteristieke Noord-Amerikaanse Maximale stroomsterkte in ampère - bij % belasting Fig. 8b: Karakteristieke uitschakelcurve van de IEC Type B-circuitschakelaar Form TT22-9 3

4 Om te voorkomen dat de onderbreker uitschakelt, moeten beide startstroomcurves naar links worden verschoven zodat er geen kruising is. Deze verschuiving kan worden gekwantificeerd als percentage van de circuitschakelaarklasse. Het resulterende percentage wordt gebruikt om de effectieve onderbreker belastingscapaciteit of circuitlengte te verlagen bij % belasting. Dit wordt getoond in figuur 9(a) en 9(b). Om kruising te voorkomen moest de opstartgrafiek van de verwarg naar links worden verschoven tot 8% van de circuitschakelaarklasse in figuur 9(a) en tot 7% van de circuitschakelaarklasse in figuur 9(b). Voor het Noord-Amerikaanse onderbrekervoorbeeld trad de intersectie op in de eerste seconden. Voor de onderbreker van het type B trad de intersectie op bij tijd + met piekstroom. Als beide onderbrekers in deze voorbeelden een 2 A classificatie hadden gehad, zou de toelaatbare imale stroom 6 A respectievelijk 4 A worden, niet 2 A. Dus nu is de vraag, Hoe wordt imale stroom bepaald?. Eerder werd imale stroom gedefinieerd als: Maximale stroom het stroomniveau nadat de verwarg zijn evenwichtstemperatuur boven de leidingtemperatuur heeft bereikt (gewoonlijk 3 seconden na activering) Waarde voor -2 C opstart Max. Stroomuitvoer W/m Min. Fig. 9a: Karakteristieke Noord-Amerikaanse Maximale stroomsterkte in ampère - bij 8% belasting Fig. 9b: Karakteristieke uitschakelcurve van IEC onderbreker van het type B Maximale stroomsterkte in ampère - bij 7% belasting Leidingtemperatuur C Fig. : Max/ uitgaand vermogen als een functie van leidingtemperatuur Dit is een continue stroom voor de S/R-kabel bij de gespecificeerde starttemperatuur aan de bovenkant of het imum van de productietolerantie van het uitgaand vermogen. Raadpleeg de bovenste lijn aangegeven als Max in figuur als voorbeeld. De imale curve afgegeven vermogen, onderste lijn aangegeven als Min, wordt gebruikt voor het ontwerp om het warmteverlies van de leiding te bepalen. Voor de zelfregelende hellingskarakteristiek geldt dat bij een lagere leidingtemperatuur het vermogen en de resulterende stroom hoger wordt. Daarom worden maatgegevens van de circuitschakelaar getoond voor verschillende opstarttemperaturen. Om aan de voorzichtige kant te blijven wordt de curve imaal afgegeven vermogen of tolerantie gebruikt voor de imale stroomwaarde in de waardebepaling van de circuitschakelaar. Hier is een voorbeeld van waardebepaling van de circuitschakelaar met de basisstappen die in de voorafgaande discussie zijn uiteengezet. Form TT22-9 4

5 Gegeven: Een bedrijfsspanning van 24 Vac Een gespecificeerde Noord-Amerikaanse circuitschakelaar met een classificatie van 2 A Opstarttemperatuur van -2 ºC Een S/R-verwarg voor bescherg tegen bevriezing met 33 W/m bij ºC (een -2 type kabel) Wat is de imale lengte van de verwarg die kan worden aangebracht op de gespecificeerde Noord-Amerikaanse circuitschakelaar voor de bovenstaande omstandigheden? Stap - Wanneer de genormaliseerde stroomrespons van de S/R -2 wordt toegepast op de imale uitschakelcurve van de Noord-Amerikaanse circuitschakelaar blijkt de offset of belastingsfactor 8% te zijn. (Zie fig. 9a) Stap 2 - De gespecificeerde belastingscapaciteit voor de Noord-Amerikaanse circuitschakelaar is 2 A. De effectieve belastingscapaciteit om uitschakelingen met de 8% belastingsfactor te vermijden is 6 A. Stap 3 - Voor een opstart bij -2 ºC is de imale uitgaand vermogen van de S/R -2 verwargskabel 57 W/m. Bij 24 Vac is de corresponderende imale stroom,24 A/m. Zie fig.. Stap 4 - Door de imale stroom van,24 A/m in de effectieve belastingscapaciteit van 6 A van de 2 A Noord-Amerikaanse circuitschakelaar te verdelen, wordt de lengte 67 m. Dit is de imale lengte van de S/R -2-kabel die kan worden toegepast op de 2 A Noord-Amerikaanse circuitschakelaar voor een opstart bij -2 ºC. Samenvatting De bepaling van de capaciteit van een circuitschakelaar met een S/R-verwarg hangt af van een aantal factoren: () opstarttemperatuur, (2) startstroomkarakteristiek van de verwarg, (3) type circuitschakelaar, en (4) belastingscapaciteit van de circuitschakelaar. Deze ThermoTip heeft getoond hoe de capaciteitsbepaling van de circuitschakelaar of het vaststellen van een imale circuitlengte voor een gegeven circuitschakelaar wordt uitgevoerd. Terwijl dit proces misschien enigszins complex kan lijken, voert het CompuTrace -ontwerpprogramma van Thermon snel en gemakkelijk deze basisstappen uit volgens de invoerwaarden van gebruikers voor circuitschakelaartype en belastingscapaciteit gevonden onder het tabblad INSTELLINGEN van het programma. Let op dat de imale stroom in CompuTrace-uitvoer niet moet worden gebruikt voor bepaling van de capaciteit van circuitschakelaars. Het capaciteitstabellen van de circuitschakelaars zijn te vinden op specificatiebladen van Thermon en zijn ook gebaseerd op deze basisstappen. Tot slot, gebruik Thermons ontwerpprogramma CompuTrace of de specificatiebladen van de verwarg om de imale lengtes van het verwargscircuit te bepalen. Form TT22-9 5