Защитные функции асинхронных электромоторов

Моторы электрические – конструкции, спрос на применение которых даст фору любым иным электрическим приборам. Электрические асинхронные двигатели используются повсеместно. Относительно простое, но эффективное оборудование за многие годы практических испытаний показало высокую надёжность. Однако для ряда условий, где часто приходится эксплуатировать моторное оборудование, защитные функции асинхронных двигателей остаются востребованы. Следует отдать должное – современная электрическая индустрия находит решения в этом направлении. Какие это решения? Попробуем разобраться.

Защита против коротких замыканий

Короткое замыкание (КЗ) образуется прямым контактом между двумя точками разного электрического потенциала:

Для условий переменного тока эти точки образуют:

  • межфазное короткое замыкание,
  • замыкание фазы с нейтральной шиной,
  • контакт фазы с землей,
  • проводимость между обмотками одной фазы.

Для условий постоянного тока характерны варианты:

  • короткое замыкание между двумя полюсами,
  • коротыш между землей и полюсом, изолированным от «земли».

Короткое замыкание в любом виде способно образоваться по целому ряду причин. Например, из-за повреждения лака-изолятора медных проводников обмотки или по случаю повреждения изоляции проводов и кабелей.

Металлические инородные тела, разного рода отложения (пыль, грязь и т. д.), находящиеся в области течения токов, также могут стать причиной КЗ.

Просачивание воды под корпус мотора или других токопроводящих жидкостей, неправильный монтаж при сборке или обслуживании – всё это тоже причины коротких замыканий.

Результат коротких замыканий – внезапный скачок тока. Причём величина тока (Iкз/мс) в несколько сотен раз превышает показатели рабочего тока ().

Короткое замыкание, как правило, имеет разрушительные последствия, приводит к серьезным повреждениям оборудования.

Повреждённая обмотка электродвигателя
Не самый критичный результат короткого замыкания между проводниками обмотки статора. Тем не менее, в таких случаях обычно требуется перемотка

Для короткого замыкания типичными видятся два явления:

  1. Тепловое.
  2. Электродинамическое.

Тепловое явление образуется энергией, выделяемой в электрическую цепь, где протекает ток (Iкз) в момент времени (Т). На основе формулы I2t это состояние можно выразить как A2s. Тепловой эффект способен вызвать:

  • плавление контактов проводников,
  • разрушение тепловых элементов биметаллических реле,
  • генерацию электрической дуги,
  • прожог изоляционного материала,
  • воспламенение оборудования.

Электродинамическое явление возможно между скрещенными проводниками, создающими интенсивное механическое напряжение. Это явление вызывает:

  • деформацию проводников обмотки двигателя,
  • разрушение изоляционных опор проводников,
  • дребезг контактов (на контакторах), что приводит к их расплавлению и свариванию.

Подобные явления опасны для имущества и людей. Поэтому необходима защита по коротким замыканиям методикой применения специальных устройств, способных обнаруживать неисправности и оперативно блокировать КЗ, прежде чем ток достигнет максимального значения.

Традиционные защитные функции

На практике обычно используют два вида защиты:

  1. Предохранители.
  2. Магнитные выключатели.

Предохранители разрывают цепь за счёт расплавления переходного контакта под действием тока короткого замыкания. Эти элементы схемы подлежат замене после устранения причин разрыва. Магнитные выключатели в момент аварии действуют на разрыв автоматически и после сброса аварии вновь работоспособны.

Защитный магнитный выключатель
Защитный магнитный выключатель: 1 — терминал; 2 — стационарный контакт; 3 — подвижный контакт; 4 — терминал; 5 — электромагнит; 6 — захват; 7 — взвод ручной

Функционально защита по коротким замыканиям также может встраиваться в конструкциях устройств многофункционального действия, подобных пусковой защите двигателя контактором.

Определения и характеристики устройств защиты

Основными характеристиками устройств защиты на короткие замыкания являются:

  • отключающая способность (ОС) или максимально высокое значение предполагаемого тока короткого замыкания, которое защитное устройство способно блокировать при заданном напряжении;
  • включающая способность (ВС) или максимально высокое значение, при котором защитное устройство способно функционировать в определённых условиях при номинальном напряжении. Значение включения – это время (K) на разрыв, как показано в таблице:
Отключающая способность (ОС), кА Cos φ Включающая способность (ВС)
4,5 < ОС < 6,0 0,7 1,5 ОС
6,0 < ОС < 10 0,5 1,7 ОС
10 < ОС < 20 0,3 2,0 ОС
20 < ОС < 50 0,25 2,1 ОС
50 < ОС 0,2 2,2 ОС

Плавкие предохранители

Предохранители выполняют поэтапную (однополюсную) защиту с высокой пропускной способностью, имея небольшую массу. Предохранителями ограничивается значение I2t, а также электродинамическое напряжение (Iэн).

Традиционно предохранители монтируют:

  • на специальных опорах — держателях,
  • на изоляторах.

Картриджи предохранителей с индикатором отключения обычно подключаются к универсальному коммутационному устройству (контактору управления двигателем) для предотвращения однофазной работы на случай плавления только отдельных элементов.

Предохранители, используемые для защиты двигателя, специфичны тем, что пропускают сверхтоки по причине тока намагничивания, возникающего при включении двигателей. Поэтому предохранители не подходят для защиты от перегрузки.

Цепь питания двигателя, где предусматривается защита предохранителями, необходимо дополнять реле перегрузки. Значение предохранителей по мощности (в амперах) следует подбирать чуть выше тока полной нагрузки электродвигателя.

Магнитные выключатели

Автоматические выключатели обеспечивают защиту от коротких замыканий в пределах их отключающей способности при помощи магнитных триггеров (по одному на фазу)

Схема магнитного выключателя
Электрическая схема контактных групп магнитного выключателя отличается простым техническим решением. Однако эффективность такого решения достаточно высока

Магнитные выключатели дают общую полюсную отсечку, когда одним магнитным триггером одновременно разрываются все задействованные полюса.

При малых токах короткого замыкания автоматические выключатели работают быстрее, чем предохранители. Этот вид защиты полностью соответствует стандарту IEC 60947-2.

Следует отметить: правильное блокирование тока короткого замыкания выстраивается тремя императивами (требованиями):

  • раннее обнаружение тока неисправности,
  • быстрое разделение контактов,
  • блокировка тока короткого замыкания.

Большинство магнитных выключателей для защиты двигателя являются ограничивающими ток устройствами и способствуют координации механических действий.

Обладая очень коротким временем отсечки, такой прибор прерывает ток короткого замыкания до момента достижения максимальной амплитуды тока КЗ.

Конструкции магнитных выключателей
Тепловой-магнитный выключатель для использования в схеме питания электродвигателя. Конструктивное исполнение с переключателем ручного действия

Таким образом, ограничиваются тепловые и электродинамические эффекты, защита проводки и оборудования выглядит более эффективной.

Защита двигателя от перегрузки

Перегрузка — наиболее распространенное явление при эксплуатации моторов. Этот дефект проявляется увеличением тока, что потребляет двигатель и тепловым эффектом.

Категория изоляции обеспечивает нормальное нагревание двигателя при температуре окружающей среды не выше 40°C.

Любое превышение рабочего предела температуры приводит к сокращению срока службы мотора за счет преждевременного старения изоляционного материала.

Между тем перегрузки, приводящие к перегреву, немедленных вредных последствий не оказывают, если эти перегрузки проявляются редко и носят краткосрочный характер.

Подобные условия не предусматривают обязательного отключения двигателя, но в таких случаях важным видится быстрое восстановление нормальных условий работы.

Фактические рабочие условия (температура, граничная и стандартная мощность) необходимы для определения рабочих значений (мощности, тока) двигателя и выбора адекватной защиты от перегрузки. Рабочие значения моторов, как правило, указываются изготовителями.

Таблица факторов снижения мощности двигателя исходя из условий эксплуатации

Высота над уровнем моря, м Температура окружающей среды, ºС
30 35 40 45 50 55 60
1000 1,07 1,04 1,0 0,96 0,92 0,87 0,82
1500 1,04 1,01 0,97 0,93 0,89 0,84 0,79
2000 1,01 0,98 0,94 0,90 0,86 0,82 0,77
2500 0,97 0,95 0,91 0,87 0,84 0,79 0,75
3000 0,93 0,91 0,87 0,84 0,80 0,76 0,71
3500 0,89 0,86 0,83 0,80 0,76 0,72 0,68
4000 0,83 0,81 0,78 0,75 0,72 0,68 0,64

Значения приведенной выше таблицы обще информативные, так как снижение мощности двигателя зависит от размера конкретного экземпляра, категории изоляции, структуры (самоохлаждение или охлаждение вентилятором, уровень защиты — IP23, IP44 и т. д.).

В зависимости от требуемого уровня защиты, блокировка перегрузки может быть обеспечена через реле разных видов: перегрузочные, тепловые (биметаллические), электронные. Каждый прибор обеспечивает необходимую защиту.

К примеру, реле перегрузки по току контролирует потребление тока каждой фазой. Дисбаланс или отсутствие фазы отслеживает дифференциальное реле. Термисторный датчик положительного температурного коэффициента (ПТК) следит за температурным фоном.

Защитное реле не разрывает цепь. Этот прибор предназначен для управления устройством коммутации с требуемой отключающей способностью на ток КЗ. Обычно устройством коммутации выступает контактор, в цепь катушки которого включается контакт защитного реле.

Защитные реле перегрузки тепловые

Этот вид реле защищает двигатели от перегрузки. Особенность функции реле перегрузки — выдержка временной перегрузки запуска.

В зависимости от условий работы, пуск двигателя может составлять от нескольких секунд (пуск холостого хода, низкий крутящий момент и т. д.), до нескольких десятков секунд (большой крутящий момент, высокая инерция движения нагрузки и т. д.).

Следовательно, необходимо реле перегрузки адаптировать по времени запуска мотора. Для удовлетворения этих потребностей стандартом (IEC 60947-4-1) предусмотрено несколько категорий реле перегрузки, каждая из которых определяется временем отключения.

Категория

реле

Время отключения при состоянии от:
 холодного до 1,05*Ir тёплого до 1,2*Ir тёплого до 1,5*Ir  холодного до 7,2*Ir допустимое нижнее отклонение
10А >2 ч <2 ч <2 мин 2 с <Tp<10 c
10 >2 ч <2 ч <4 мин 4 с <Tp<10 c 5 с <Tp<10 c
20 >2 ч <2 ч <8 мин 6 с <Tp<20 c 10 с <Tp<20 c
30 >2 ч <2 ч <12 мин 9 с <Tp<30 c 20 с <Tp<30 c

Холодное: начальное состояние без предыдущей загрузки.

Теплое: тепловой баланс, достигнутый на Ir.

Ir: настройка тока реле перегрузки.

Размер реле должен выбираться исходя из номинального тока двигателя и расчетного времени запуска. Пределы использования характеризуются кривыми графика в зависимости от времени и значения текущей настройки (кратной Ir).

Эти реле имеют тепловую память (кроме некоторых электронных, обозначенных их изготовителями) и могут подключаться:

  • последовательно с нагрузкой,
  • через трансформатор тока (на моторах высокой мощности).

Биметаллические тепловые защитные реле

Биметаллические тепловые перегрузочные реле предназначены для защиты двигателя, источника питания и оборудования от низкой длительной перегрузки.

Однако сами приборы также нуждаются в защите от сильных токов. Делается такая защита при помощи автоматического выключателя или предохранителей.

Реле тепловой перегрузки
Реле тепловой перегрузки — обычно используется как дополнительный элемент контактора, управляющего питанием электромотора. Через этот прибор питается катушка контактора

Принцип действия реле тепловой перегрузки основан на деформировании биметаллических пластин, нагреваемых проходящим через них током. В зависимости от настройки, при совпадении силы деформации и сопротивления металла контакт реле разрывается.

Особенность конструкции состоит в том, что возврат в рабочее состояние возможен только после остывания биметаллических пластин и возврата в нормальную кондицию. Реле тепловой перегрузки поддерживают работу с переменным и постоянным током.

Биметаллические тепловые перегрузочные реле используются повсеместно. Приборы надежные и выгодные с экономической точки зрения. Устройства такого типа рекомендуется применять, если существует риск блокировки ротора.

Однако биметаллические тепловые перегрузочные реле обладают недостатком «неточности». Этот недостаток выражается по отношению к тепловому статусу мотора и чувствительности к тепловым условиям, в которых работает реле.

Защитные электронные реле перегрузки

Электронные реле имеют преимущества интеллектуальных систем и создают более детальный термальный имидж электродвигателя.

Используя шаблон с тепловыми временными константами мотора, система электроники непрерывно вычисляет температуру двигателя на основе потребляемого тока и времени работы.

Электронное реле перегрузки
Электронное реле перегрузки — эффективное, более чувствительное устройство. Использование подобных приборов существенно повышает класс защиты

Таким образом, электронная защита находится ближе к реальности и способна предотвратить непреднамеренное отключение. Электронные реле перегрузки менее чувствительны к температурным условиям, где установлены.

Помимо обычных функций реле перегрузки (защита от перегрузки двигателя, дисбаланса и отсутствия фазы), электронные приборы защиты от перегрузки могут оснащаться опциями защиты:

  • контроль температуры зондом с ПТК,
  • стопор и высокий крутящий момент,
  • инверсия фаз,
  • повреждение изоляции,
  • работа без нагрузки.

Защитное реле термисторного датчика с ПТК

Разновидность  реле защиты, управляющего фактической температурой двигателя. Зонды с ПТК встраиваются непосредственно в конструкцию двигателя.

Поскольку зонды слишком малы, их тепловая инерция очень низка, что обеспечивает короткое время отклика и, следовательно, высокую точность считывания температуры.

Приборы напрямую контролируют температуру обмоток статора, поэтому их успешно используют для защиты двигателей от перегрузки, увеличения температуры окружающей среды, сбоев в схемах вентиляции, слишком частых пусковых процессов, замедления и т. д.

Термисторное реле защиты
Термисторное реле защиты призвано обеспечить точный контроль температуры важных конструктивных компонентов мотора.

Конструктивно термисторное реле выглядит как один или несколько термических зондов, имеющих положительный температурный коэффициент (ПТК), установленных непосредственно в теле обмотки или в любой другой точке, которая нагревается при работе мотора.

Элементы ПТК являются статическими компонентами, чьё сопротивление резко возрастает, когда температура достигает граничного значения номинальной рабочей температуры (NOT — Nominal Operating Temperature).

Термисторные реле поддерживают работу с переменным и постоянным током. Обеспечивают непрерывный контроль сопротивления подключенных зондов.

Если номинальная рабочая температура достигнута, сильное увеличение сопротивления определяется пороговой схемой, которая управляет изменением состояния выходных контактов.

В зависимости от выбранных зондов, этот режим защиты может использоваться:

  • для вызова сигнала тревоги без останова машины (номинальная рабочая температура зондов ниже максимальной температуры, установленной для защищаемого элемента),
  • для отправки сигнала машине на остановку (номинальная рабочая температура достигла максимального уровня).

Особенность применения этого типа защиты — предварительная организация, поскольку температурные датчики необходимо встроить в обмотки статора на стадии изготовления двигателя.

Подбор зондов ПТК зависит от категории изоляции и конструкции двигателя. Обычно подбор выполняется изготовителем мотора или обмоточным сервисом.

Защита зондами ПТК, как правило, применима только на высокотехнологичном оборудовании, где используются дорогостоящие двигатели.

Реверсивные реле: дополнительная защита

В дополнение к тепловым защитным реле и зондам с ПТК, реверсивное реле обеспечивает защиту приводной цепи в случае блокировки ротора, механического захвата или толчковой подачи.

Реверсивные приборы, в отличие от большинства моделей реле перегрузки, не имеют тепловой памяти. Реверсивные устройства наделяются заданным временем работы (регулируемый порог тока и времени).

Реле реверса допустимо использовать для защиты двигателей от перегрузки, когда имеет место продолжительный или часто повторяемый пусковой процесс.

Многофункциональные защитные реле

Электромеханические или электронные реле защищают двигатель, контролируя ток, протекающий в обмотках двигателя. Приборы идеально подходят для регулярной работы.

Однако механизмы не в состоянии учитывать многочисленные потенциальные проблемы из-за температурных напряжений или конкретного применения.

Более того, требования пользователей к обслуживанию или управлению производством становятся серьезной проблемой.

Поэтому производители электрики внедряют новые продукты, которые адаптированы к применению и обеспечивают глобальную защиту двигателя и управление нагрузкой.

Принцип действия датчика Роговского
Конструктивное исполнение датчика Роговского: 1 — полый сердечник; 2 — первичный ток; 3 — вторичная обмотка; 4 — основной первичный проводник; 5 — амперметр

Многофункциональные реле разработаны с использованием следующих технологий:

  • внедрение датчиков напряжения и тока,
  • использование безредукторных устройств (датчики Роговского),
  • электронное объединение цифровых и аналоговых технологий,
  • использование полевых шин для обмена данными с ПЛК (программируемый логический контроллер) и другими устройствами,
  • использование точных алгоритмов моделирования двигателя,
  • применение встроенных программ.

Новое поколение продуктов позволяет снизить затраты на проектирование оборудования, поскольку программирование ПЛК упрощается до операции, так как затраты на техническое обслуживание и простои резко сокращаются.

Линейка продуктов нового поколения включает три семейства:

  1. Многофункциональное реле встроено в стартер двигателя. Преимущество в одном решении — очень компактный продукт с ограниченным количеством соединений. Верхний предел тока составляет 32 ампера.
  2. Многофункциональное реле отделено от стартера двигателя, использует те же компоненты, что в одном решении. Преимущество — возможно подключение к любому пускателю двигателя.
  3. Многофункциональное реле отделено от пускателя мотора и обеспечивает несколько входов/выходов. Универсальное решение на фоне всех трёх.

Простая эффективная электронная защита


По материалам: Schneider-electric


Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *