Защита эл двигателя от перегрузки – Защита электродвигателя. Виды, схемы, принцип действия защиты электродвигателя.

Содержание

Защита электродвигателя. Виды, схемы, принцип действия защиты электродвигателя.


Для чего нужна защита двигателя?

Для того чтобы избежать непредвиденных сбоев, дорогостоящего ремонта и последующих потерь из-за простоя электродвигателя, очень важно оборудовать двигатель защитным устройством.

Защита двигателя имеет три уровня:

Внешняя защита от короткого замыкания установки. Устройства внешней защиты, как правило, являются предохранителями разных видов или реле защиты от короткого замыкания. Защитные устройства данного типа обязательны и официально утверждены, они устанавливаются в соответствии с правилами безопасности.

Внешняя защита от перегрузок, т.е. защита от перегрузок двигателя насоса, а, следовательно, предотвращение повреждений и сбоев в работе электродвигателя. Это защита по току.

Встроенная защита двигателя с защитой от перегрева, чтобы избежать повреждений и сбоев в работе электродвигателя. Для встроенного устройства защиты всегда требуется внешний выключатель, а для некоторых типов встроенной защиты двигателя требуется даже реле перегрузки.



Возможные условия отказа двигателя

Во время эксплуатации могут возникать различные неисправности. Поэтому очень важно заранее предусмотреть возможность сбоя и его причины и как можно лучше защитить двигатель. Далее приведён перечень условий отказа, при которых можно избежать повреждений электродвигателя:

• Низкое качество электроснабжения:

• Высокое напряжение

• Пониженное напряжение

• Несбалансированное напряжение/ ток (скачки)

• Изменение частоты

• Неверный монтаж, нарушение условий хранения или неисправность самого электродвигателя

• Постепенное повышение температуры и выход её за допустимый предел:

• недостаточное охлаждение

• высокая температура окружающей среды

• пониженное атмосферное давление (работа на большой высоте над уровнем моря)

• высокая температура рабочей жидкости

• слишком большая вязкость рабочей жидкости

• частые включения/отключения электродвигателя

• слишком большой момент инерции нагрузки (свой для каждого насоса)

• Резкое повышение температуры:

• блокировка ротора

• обрыв фазы

Для защиты сети от перегрузок и короткого замыкания при возникновении каких-либо из перечисленных выше условий отказа необходимо определить, какое устройство защиты сети будет использоваться. Оно должно автоматически отключать питание от сети. Плавкий предохранитель является простейшим устройством, выполняющим две функции. Как правило, плавкие предохранители соединяются между собой при помощи аварийного выключателя, который может отключить двигатель от сети питания. На следующих страницах мы рассмотрим три типа плавких предохранителей с точки зрения их принципа действия и вариантов применения: плавкий предохранительный выключатель, быстродействующие плавкие предохранители и предохранители с задержкой срабатывания.



Плавкий предохранительный выключатель

Плавкий предохранительный выключатель — это аварийный выключатель и плавкий предохранитель, объединённые в едином корпусе. С помощью выключателя можно размыкать и замыкать цепь вручную, в то время как плавкий предохранитель защищает двигатель от перегрузок по току. Выключатели, как правило, используются в связи с выполнением сервисного обслуживания, когда необходимо прервать подачу тока.

Аварийный выключатель имеет отдельный кожух. Этот кожух защищает персонал от случайного контакта с электрическими клеммами, а также защищает выключатель от окисления. Некоторые аварийные выключатели оборудованы встроенными плавкими предохранителями, другие аварийные выключатели поставляются без встроенных плавких предохранителей и оснащены только выключателем.

Устройство защиты от перегрузок по току (плавкий предохранитель) должно различать перегрузки по току и короткое замыкание. Например, незначительные кратковременные перегрузки по току вполне допустимы. Но при дальнейшем увеличении тока устройство защиты должно срабатывать немедленно. Очень важно сразу предотвращать короткие замыкания. Выключатель с предохранителем — пример устройства, используемого для защиты от перегрузок по току. Правильно подобранные плавкие предохранители в выключателе размыкают цепь при токовых перегрузках.

Плавкие предохранители быстрого срабатывания

Быстродействующие плавкие предохранители обеспечивают отличную защиту от короткого замыкания. Однако кратковременные перегрузки, такие как пусковой ток электродвигателя, могут вызвать поломку плавких предохранителей такого вида. Поэтому быстродействующие плавкие предохранители лучше всего использовать в сетях, которые не подвержены действию значительных переходных токов. Обычно такие предохранители выдерживают около 500% своего номинального тока в течение одной четвёртой секунды. По истечении этого времени вставка предохранителя плавится и цепь размыкается. Таким образом, в цепях, где пусковой ток часто превышает 500% номинального тока предохранителя, быстродействующие плавкие предохранители использовать не рекомендуется.

Плавкие предохранители с задержкой срабатывания

Данный тип плавких предохранителей обеспечивает защиту и от перегрузки, и от короткого замыкания. Как правило, они допускают 5-кратное увеличение номинального тока на 10 секунд, и даже более высокие значения тока на более короткое время. Обычно этого достаточно, чтобы электродвигатель был запущен и плавкий предохранитель не открылся. С другой стороны, если возникают перегрузки, которые продолжаются больше, чем время плавления плавкого элемента, цепь также разомкнётся.

Время срабатывания плавкого предохранителя

Время срабатывания плавкого предохранителя — это время плавления плавкого элемента (проволоки), которое требуется для того, чтобы цепь разомкнулась. У плавких предохранителей время срабатывания обратно пропорционально значению тока — это означает, что чем больше перегрузки по току, тем меньше период времени для отключения цепи.



В общем, можно сказать, что у электродвигателей насосов очень короткое время разгона: меньше 1 секунды. В этой связи для электродвигателей подойдут предохранители с задержкой времени срабатывания с номинальным током, соответствующим току полной нагрузки электродвигателя.

Иллюстрация справа демонстрирует принцип формирования характеристики времени срабатывания плавкого предохранителя. Ось абсцисс показывает соотношение между фактическим током и током полной нагрузки: если электродвигатель потребляет ток полной нагрузки или меньше, плавкий предохранитель не размыкается. Но при величине тока, в 10 раз превышающей ток полной нагрузки, плавкий предохранитель разомкнётся практически мгновенно (0,01 с). На оси ординат отложено время срабатывания.

Во время пуска через индукционный электродвигатель проходит достаточно большой ток. В очень редких случаях это приводит к выключению посредством реле или плавких предохранителей. Для уменьшения пускового тока используются различные методы пуска электродвигателя.


Что такое автоматический токовый выключатель и как он работает?

Автоматический токовый выключатель является устройством защиты от перегрузок по току. Он автоматически размыкает и замыкает цепь при заданном значении перегрузки по току. Если токовый выключатель применяется в диапазоне своих рабочих параметров, размыкание и замыкание не наносит ему никакого ущерба. Сразу же после возникновения перегрузки можно легко возобновить работу автоматического выключателя — он просто устанавливается в исходное положение.



Различают два вида автоматических выключателей: тепловые и магнитные.

Тепловые автоматические выключатели

Тепловые автоматические выключатели — это самый надёжный и экономичный тип защитных устройств, которые подходят для электродвигателей. Они могут выдержать большие амплитуды тока, которые возникают при пуске электродвигателя, и защищают электродвигатель от сбоев, таких как блокировка ротора.

Магнитные автоматические выключатели

Магнитные автоматические выключатели являются точными, надёжными и экономичными. Магнитный автоматический выключатель устойчив к изменениям температуры, т.е. изменения температуры окружающей среды не влияют на его предел срабатывания. По сравнению с тепловыми автоматическими выключателями, магнитные автоматические выключатели имеют более точно определённое время срабатывания. В таблице приведены характеристики двух типов автоматических выключателей.



Рабочий диапазон автоматического выключателя

Автоматические выключатели различаются между собой уровнем тока срабатывания. Это значит, что всегда следует выбирать такой автоматический выключатель, который может выдержать самый высокий ток короткого замыкания, который может возникнуть в данной системе.


Функции реле перегрузки

Реле перегрузки:

• При пуске электродвигателя позволяют выдерживать временные перегрузки без разрыва цепи.

• Размыкают цепь электродвигателя, если ток превышает предельно допустимое значение и возникает угроза повреждения электродвигателя.

• Устанавливаются в исходное положение автоматически или вручную после устранения перегрузки.

IEC и NEMA стандартизуют классы срабатывания реле перегрузки.

Обозначение класса срабатывания

Как правило, реле перегрузки реагируют на условия перегрузки в соответствии с характеристикой срабатывания. Для любого стандарта (NEMA или IEC) деление изделий на классы определяет, какой период времени требуется реле на размыкание при перегрузке. Наиболее часто встречающиеся классы: 10, 20 и 30. Цифровое обозначение отражает время, необходимое реле для срабатывания. Реле перегрузки класса 10 срабатывает в течение 10 секунд и менее при 600% тока полной нагрузки, реле класса 20 срабатывает в течение 20 секунд и менее, а реле класса 30 — в течение 30 секунд и менее.



Угол наклона характеристики срабатывания зависит от класса защиты электродвигателя. Электродвигатели IEC обычно адаптированы к определённому варианту использования. Это означает, что реле перегрузки может справляться с избыточным током, величина которого очень близка к максимальной производительности реле. Класс 10 — самый распространённый класс для электродвигателей IEC. Электродвигатели NEMA имеют внутренний конденсатор большей ёмкости, поэтому класс 20 для них применяется чаще.

Реле класса 10 обычно используется для электродвигателей насосов, так как время разгона электродвигателей составляет около 0,1-1 секунды. Для многих высокоинерционных промышленных нагрузок необходимо для срабатывания реле класса 20.

Сочетание плавких предохранителей с реле перегрузки

Плавкие предохранители служат для того, чтобы защитить установку от повреждений, которые могут быть вызваны коротким замыканием. В связи с этим плавкие предохранители должны иметь достаточную ёмкость. Более низкие токи изолируются с помощью реле перегрузки. Здесь номинальный ток плавкого предохранителя соответствует не рабочему диапазону электродвигателя, а току, который может повредить наиболее слабые составляющие установки. Как было упомянуто ранее, плавкий предохранитель обеспечивает защиту от короткого замыкания, но не защиту от перегрузок при низком токе.

На рисунке представлены наиболее важные параметры, формирующие основу согласованной работы плавких предохранителей в сочетании с реле перегрузки.



Очень важно, чтобы плавкий предохранитель сработал прежде, чем другие детали установки получат тепловое повреждение в результате короткого замыкания.


Современные наружные реле защиты двигателя

Усовершенствованные наружные системы защиты двигателя также обеспечивают защиту от перенапряжения, перекоса фаз, ограничивают число включений/выключений, устраняют вибрации. Кроме того, они позволяют контролировать температуру статора и подшипников через датчик температуры (PT100), измерять сопротивление изоляции и регистрировать температуру окружающей среды. В дополнение к этому усовершенствованные наружные системы защиты двигателя могут принимать и обрабатывать сигнал от встроенной тепловой защиты. Далее в этой главе мы рассмотрим устройство тепловой защиты.



Наружные реле защиты двигателя предназначены для защиты трёхфазных электродвигателей при угрозе повреждения двигателя за короткий или более длительный период работы. Кроме защиты двигателя, наружное реле защиты имеет ряд особенностей, которые обеспечивают защиту электродвигателя в различных ситуациях:

• Подаёт сигнал прежде, чем возникает неисправность в результате всего процесса

• Диагностирует возникшие неисправности

• Позволяет выполнять проверку работы реле во время техобслуживания

• Контролирует температуру и наличие вибрации в подшипниках

Можно подключить реле перегрузки к центральной системе управления зданием для постоянного контроля и оперативной диагностики неисправностей. Если в реле перегрузки установлено наружное реле защиты, сокращается период вынужденного простоя из-за прерывания технологического процесса в результате поломки. Это достигается благодаря быстрому обнаружению неисправности и недопущению повреждений электродвигателя.

Например, электродвигатель может быть защищён от:

• Перегрузки

• Блокировки ротора

• Заклинивания

• Частых повторных пусков

• Разомкнутой фазы

• Замыкания на массу

• Перегрева (с помощью сигнала, поступающего от электродвигателя через датчик PT100 или терморезисторы)

• Малого тока

• Предупреждающего сигнала о перегрузке


Настройка наружного реле перегрузки

Ток полной нагрузки при определённом напряжении, указанном в фирменной табличке, является нормативом для настройки реле перегрузки. Так как в сетях разных стран присутствует различное напряжение, электродвигатели для насосов могут использоваться как при 50 Гц, так и при 60 Гц в широком диапазоне напряжений. В связи с этим в фирменной табличке электродвигателя указывается диапазон тока. Если нам известно напряжение, мы можем вычислить точную допустимую нагрузку по току.

Пример вычисления

Зная точную величину напряжения для установки, можно рассчитать ток полной нагрузки при 254 / 440 Y B, 60 Гц.



Данные отображаются в фирменной табличке, какпоказано в иллюстрации.



Вычисления для 60 Гц



Коэффициент усиления напряжения определяется следующими уравнениями:



Расчет фактического тока полной нагрузки (I):



(Значения тока для подключения по схеме «треугольник» и «звезда» при минимальных значениях напряжения)



(Значения тока для подключения по схеме «треугольник» и «звезда» при максимальных значениях напряжения)

Теперь с помощью первой формулы можно рассчитать ток полной нагрузки:

I для «треугольника»:



I для «звезды»:



Величины для тока полной нагрузки соответствуют допустимому значению тока полной нагрузки электродвигателя при 254 Δ/440 Y В, 60 Гц.



Внимание: наружное реле перегрузки электродвигателя всегда устанавливается на номинальное значение тока, указанное в фирменной табличке.

Однако если электродвигатели сконструированы с учётом коэффициента нагрузки, который затем указывается в фирменной табличке, напр., 1.15, заданное значение тока для реле перегрузки может быть увеличено на 15% по сравнению с током полной нагрузки или коэффициентом нагрузки в амперах (SFA — service factor amps), который, как правило, указывается в фирменной табличке.


Внутренняя защита, встраиваемая в обмотки или клеммную коробку



Для чего нужна встроенная защита двигателя, если электродвигатель уже оснащён реле перегрузки и плавкими предохранителями? В некоторых случаях реле перегрузки не регистрирует перегрузку электродвигателя. Например, в ситуациях:

• Когда электродвигатель закрыт (недостаточно охлаждается) и медленно нагревается до опасной температуры.

• При высокой температуре окружающей среды.

• Когда наружная защита двигателя настроена на слишком высокий ток срабатывания или установлена неправильно.

• Когда электродвигатель перезапускается несколько раз в течение короткого периода времени и пусковой ток нагревает электродвигатель, что в конечном счёте, может его повредить.

Уровень защиты, который может обеспечить внутренняя защита, указывается в стандарте IEC 60034-11.

Обозначение TP

TP — аббревиатура «thermal protection» — тепловая защита. Существуют различные типы тепловой защиты, которые обозначаются кодом TP (TPxxx). Код включает в себя:

• Тип тепловой перегрузки, для которой была разработана тепловая защита (1-я цифра)

• Число уровней и тип действия (2-я цифра)

• Категорию встроенной тепловой защиты (3-я цифра)

В электродвигателях насосов, самыми распространёнными обозначениями TP являются:

TP 111: Защита от постепенной перегрузки

TP 211: Защита как от быстрой, так и от постепенной перегрузки.



Обозначение

Техническая егрузка и ее варианты (1-я цифра)

Количество уровней и функциональная область (2-я цифра)

Категория 1 (3-я цифра)

ТР 111

Только медленно (постоянная перегрузка)

1 уровень при отключении

1

ТР 112

2

ТР 121

2 уровня при аварийном сигнале и отключении

1

ТР 122

2

ТР 211

Медленно и быстро (постоянная перегрузка, блокировка)

1 уровень при отключении

1

ТР 212

2

ТР 221 ТР 222

2 уровня при аварийном сигнале и отключении

1

2

ТР 311 ТР 321

Только быстро (блокировка)

1 уровень при отключении

1

2

Изображение допустимого температурного уровня при воздействии на электродвигатель высокой температуры. Категория 2 допускает более высокие температуры, чем категория 1.

Все однофазные электродвигатели Grundfos оснащены защитой двигателя по току и температуре в соответствии с IEC 60034-11. Тип защиты двигателя TP 211 означает, что она реагирует как на постепенное, так и на быстрое повышение температуры.

 

Сброс данных в устройстве и возврат в начальное положение осуществляется автоматически. Трёхфазные электродвигатели Grundfos MG мощностью от 3.0 кВт стандартно оборудованы датчиком температуры PTC.



Эти электродвигатели были испытаны и одобрены как электродвигатели TP 211, которые реагируют и на медленное, и на быстрое повышение температуры. Другие электродвигатели, используемые для насосов Grundfos (MMG модели D и E, Siemens, и т.п.), могут быть классифицированы как TP 211, но, как правило, они имеют тип защиты TP 111.



Необходимо всегда учитывать данные, указанные на фирменной табличке. Информацию о типе защиты конкретного электродвигателя можно найти на фирменной табличке — маркировка с буквенным обозначением TP (тепловая защита) согласно IEC 60034-11. Как правило, внутренняя защита может быть организована при помощи двух типов устройств защиты: Устройств тепловой защиты или терморезисторов.



Устройства тепловой защиты, встраиваемые в клеммную коробку

В устройствах тепловой защиты, или термостатах, используется биметаллический автоматический выключатель дискового типа мгновенного действия для размыкания и замыкания цепи при достижении определённой температуры. Устройства тепловой защиты называют также «кликсонами» (по названию торговой марки от Texas Instruments). Как только биметаллический диск достигает заданной температуры, он размыкает или замыкает группу контактов в подключённой схеме управления. Термостаты оснащены контактами для нормально разомкнутого или нормально замкнутого режима работы, но одно и то же устройство не может использоваться для двух режимов. Термостаты предварительно откалиброваны производителем, и их установки менять нельзя. Диски герметично изолированы и располагаются на контактной колодке.

Через термостат может подаваться напряжение в цепи аварийной сигнализации — если он нормально разомкнут, или термостат может обесточивать электродвигатель — если он нормально замкнут и последовательно соединён с контактором. Так как термостаты находятся на наружной поверхности концов катушки, то они реагируют на температуру в месте расположения. Применительно к трёхфазным электродвигателям термостаты считаются нестабильной защитой в условиях торможения или в других условиях быстрого изменения температуры. В однофазных электродвигателях термостаты служат для защиты при блокировке ротора.



Тепловой автоматический выключатель, встраиваемый в обмотки

Устройства тепловой защиты могут быть также встроены в обмотки, см. иллюстрацию.



Они действуют как сетевой выключатель как для однофазных, так и для трёхфазных электродвигателей. В однофазных электродвигателях мощностью до 1,1 кВт устройство тепловой защиты устанавливается непосредственно в главном контуре, чтобы оно выполняло функцию устройства защиты на обмотке. Кликсон и Термик — примеры тепловых автоматических выключателей. Эти устройства называют также PTO (Protection Thermique a Ouverture).



Внутренняя установка

В однофазных электродвигателях используется один одинарный тепловой автоматический выключатель. В трёхфазных электродвигателях — два последовательно соединённых выключателя, расположенных между фазами электродвигателя. Таким образом, все три фазы контактируют с тепловым выключателем. Тепловые автоматические выключатели можно установить на конце обмоток, однако это приводит к увеличению времени реагирования. Выключатели должны быть подключены к внешней системе управления. Таким образом электродвигатель защищается от постепенной перегрузки. Для тепловых автоматических выключателей реле — усилителя не требуется.

Тепловые выключатели НЕ ЗАЩИЩАЮТ двигатель при блокировке ротора.


Принцип действия теплового автоматического выключателя

На графике справа показана зависимость сопротивления от температуры для стандартного теплового автоматического выключателя. У каждого производителя эта характеристика своя. TN обычно лежит в интервале 150-160 °C.



Подключение

Подключение трёхфазного электродвигателя со встроенным тепловым выключателем и реле перегрузки.

Обозначение TP на графике

Защита по стандарту IEC 60034-11:

TP 111 (постепенная перегрузка). Для того чтобы обеспечить защиту при блокировке ротора, электродвигатель должен быть оборудован реле перегрузки.



Терморезисторы, встраиваемые в обмотки

Второй тип внутренней защиты — это терморезисторы, или датчики с положительным температурным коэффициентом (PTC). Терморезисторы встраиваются в обмотки электродвигателя и защищают его при блокировке ротора, продолжительной перегрузке и высокой температуре окружающей среды. Тепловая защита обеспечивается с помощью контроля температуры обмоток электродвигателя с помощью PTC датчиков. Если температура обмоток превышает температуру отключения, сопротивление датчика меняется соответственно изменению температуры.





В результате такого изменения внутренние реле обесточивают контур управления внешнего контактора. Электродвигатель охлаждается, и восстанавливается приемлемая температура обмотки электродвигателя, сопротивление датчика понижается до исходного уровня. В этот момент происходит автоматическое приведение модуля управления в исходное положение, если только он предварительно не был настроен на сброс данных и повторное включение вручную.

Если терморезисторы установлены на концах катушки самостоятельно, защиту можно классифицировать только как TP 111. Причина в том, что терморезисторы не имеют полного контакта с концами катушки, и, следовательно, не могут реагировать так быстро, как если бы они изначально были встроены в обмотку.



Система, чувствительная к температуре терморезистора, состоит из датчиков с положительным температурным коэффициентом (PTC), устанавливаемых последовательно, и твердотельного электронного выключателя в закрытом блоке управления. Набор датчиков состоит из трёх — по одному на фазу. Сопротивление в датчике остаётся относительно низким и постоянным в широком диапазоне температур, с резким увеличением при температуре срабатывания. В таких случаях датчик действует как твердотельный тепловой автоматический выключатель и обесточивает контрольное реле. Реле размыкает цепь управления всего механизма для отключения защищаемого оборудования. Когда температура обмотки восстанавливается до допустимого значения, блок управления можно привести в прежнее положение вручную.

Все электродвигатели Grundfos мощностью от 3 кВт и выше оснащены терморезисторами. Система терморезисторов с положительным температурным коэффициентом (PTC) считается устойчивой к отказам, так как в результате выхода из строя датчика или отсоединении провода датчика возникает бесконечное сопротивление, и система срабатывает так же, как при повышении температуры, — происходит обесточивание контрольного реле.


Принцип действия терморезистора

Критические значения зависимости сопротивление/ температура для датчиков системы защиты электродвигателя определены в стандартах DIN 44081/ DIN 44082.

На кривой DIN показано сопротивление в датчиках терморезистора в зависимости от температуры.



По сравнению с PTO терморезисторы имеют следующие преимущества:

• Более быстрое срабатывание благодаря меньшему объёму и массе

• Лучше контакт с обмоткой электродвигателя

• Датчики устанавливаются на каждой фазе

• Обеспечивают защиту при блокировке ротора


Обозначение TP для электродвигателя с PTC

Защита двигателя TP 211 реализуется, только когда терморезисторы PTC полностью установлены на концах обмоток на заводе-изготовителе. Защита TP 111 реализуется только при самостоятельной установке на месте эксплуатации. Электродвигатель должен пройти испытания и получить подтверждение о соответствии его маркировке TP 211. Если электродвигатель с терморезисторами PTC имеет защиту TP 111, он должен быть оснащён реле перегрузки для предотвращения последствий заклинивания.

Соединение

На рисунках справа представлены схемы подключения трёхфазного электродвигателя, оснащённого терморезисторами PTC, с расцепителями Siemens. Для реализации защиты как от постепенной, так и от быстрой перегрузки, мы рекомендуем следующие варианты подключения электродвигателей, оснащённых датчиками PTC, с защитой TP 211 и TP 111.

Электродвигатели с защитой TP 111



Если электродвигатель с терморезистором имеет маркировку TP 111, это значит, что электродвигатель защищён только от постепенной перегрузки. Для того чтобы защитить электродвигатель от быстрой перегрузки, электродвигатель должен быть оборудован реле перегрузки. Реле перегрузки должно подключаться последовательно к реле PTC.

Электродвигатели с защитой TP 211



Защита TP 211 двигателя обеспечивается, только если терморезистор PTC полностью встроен в обмотки. Защита TP 111 реализуется только при самостоятельном подключении.

Терморезисторы разработаны в соответствии со стандартом DIN 44082 и выдерживают нагрузку Umax 2,5 В DC. Все отключающие элементы предназначены для приёма сигналов от терморезисторов DIN 44082, т.е терморезисторов компании Siemens.

Обратите внимание: Очень важно, чтобы встроенное устройство PTC было последовательно соединено с реле перегрузки. Многократные повторные включения реле перегрузки могут привести к сгоранию обмотки в случае блокировки электродвигателя или пуска при высокой инерции. Поэтому очень важно, чтобы температурные показатели и данные по потребляемому току устройства PTC и реле

www.eti.su

ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ОТ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ

Автоматическая защита электродвигателей

Привод исполнительных механизмов различных технологических процессов, как правило, осуществляется от электродвигателей.

Двигатель относится к основным компонентам электропривода, в наибольшей степени подвергающимся в процессе эксплуатации воздействию неблагоприятных факторов различного характера.

Причины вероятных отклонений от нормального режима работы электродвигателя можно разделить на три основные группы:

  • проблемы в исполнительных механизмах, вызывающие торможение и перегрузку приводного электродвигателя;
  • нарушение качества электроэнергии, питающей электродвигатель;
  • дефекты, возникающие внутри самого двигателя.

Для обеспечения надёжной эксплуатации, электродвигатель должен быть оборудован автоматическими защитами в необходимом объёме, реагирующими на опасные отклонения рабочих параметров и перегрузки по любой причине из перечисленных групп и действующими на отключение выключателя.

Минимальный объём автоматических устройств защиты электродвигателей определяется правилами устройства электроустановок (ПУЭ). Электрические двигатели различаются по номинальной мощности, напряжению питания, роду потребляемого тока, а также конструктивными особенностями.

В соответствии с этими различиями, а также исходя из условий работы, для каждой модели электрической машины производится выбор автоматической защиты электродвигателя. Различные виды автоматических устройств действуют как на отключение выключателя, так и на включение предупредительной сигнализации.

По роду потребляемого тока электродвигатели делятся на:

В быту и производстве распространены двигатели переменного тока, которые бывают асинхронными и синхронными.

По уровню номинального напряжения электрические машины переменного тока делятся на две основные группы – низковольтные, питающиеся напряжением до 1000 В и высоковольтные, рассчитанные на работу в сетях выше 1000 В. Наиболее массовое распространение имеют асинхронные машины с номинальным напряжением 0,4 кВ.

Защищаются они посредством автоматического выключателя, имеющего электромагнитный и тепловой расцепители от короткого замыкания и перегрузки.

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ЗАЩИТ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ДО 1000 В

Токовая отсечка.

Из всех аварийных режимов наиболее опасным является междуфазное короткое замыкание. Данный вид повреждения требует немедленного отключения асинхронного двигателя выключателем от питающей сети.

В соответствии с действующими правилами, асинхронные двигатели до 1000 В должны защищаться от коротких замыканий плавкими предохранителями или электромагнитными и тепловыми расцепителями автоматических выключателей.

Как обычно, правила отстают от фактических реалий. На вновь вводимых объектах асинхронные электрические машины комплектуются выносными многофункциональными блоками автоматической релейной защиты электродвигателя на базе микроконтроллеров, воздействующими на отключение выключателя.

Основной сути это не меняет. Автоматические защитные устройства от междуфазных коротких замыканий реагируют на сверхтоки и не имеют выдержки времени отключения выключателя. Такие устройства по-прежнему называют токовыми отсечками, защитные реле срабатывают при КЗ в обмотке статора либо на выводах асинхронного двигателя.

Контроль протекающего электротока осуществляется посредством традиционных токовых преобразователей – трансформаторов тока (ТТ) или более современных датчиков электротока.

Зоной действия защищающего устройства является участок электросети, расположенный после ТТ или датчика. Обычно кроме самого асинхронного двигателя в защищаемой зоне находится и питающий кабель.

Параметры срабатывания токовой отсечки должны быть надёжно отстроены от пусковых токов. С другой стороны, автоматическое защитное устройство должно обладать достаточной чувствительностью при межвитковых замыканиях в любой части обмотки статора асинхронной машины.

Перегрузка.

Данный вид ненормального режима возникает при неисправностях или перегрузке исполнительного механизма. Перегрузка двигателя также может происходить по причине его недостаточной мощности. Режим перегрузки характеризуется повышенным уровнем токового потребления с относительно небольшой кратностью по сравнению с номинальным значением.

Токовая уставка автоматической защиты электродвигателя от перегрузки меньше значения пусковых токовых параметров, поэтому должна быть осуществлена отстройка от режима запуска путём искусственной задержки времени срабатывания и отключения автоматического выключателя.

Защищённость электромашины от перегрузки может быть реализована с применением следующих устройств:

  • теплового расцепителя автоматического выключателя защиты электродвигателя;
  • выносного защитного комплекта с токовым реле и реле времени, воздействующего на отключение выключателя при перегрузке;
  • блока комплексной защитной автоматики двигателя на микроконтроллере, при срабатывании воздействующего на расцепитель выключателя.

В случае применения автоматического выключателя требуется просто подобрать подходящий по номинальному току и характеристике автомат. Тепловой расцепитель выключателя защиты электродвигателя обеспечивает интегральную зависимость времени отключения выключателя от величины токовой перегрузки.

Защитный автоматический релейный комплект с выносными электромагнитными реле настраивается на фиксированные ток и время срабатывания защиты.

В этом варианте, в отличие от теплового расцепителя, токовые и временные параметры между собой не связаны. Выходные реле выносных комплектов релейной защиты должны воздействовать на независимый (не тепловой) расцепитель автоматического выключателя.

ЗАЩИТА ОТ НЕПОЛНОФАЗНОГО РЕЖИМА

Этот вид автоматического защитного устройства не предписан ПУЭ как обязательный, хотя является весьма желательным. При работе трёхфазного электродвигателя на двух фазах происходит постепенный перегрев обмоток, приводящий к разрушению изоляции обмоточного провода.

Возникнуть такой режим может, например, при потере контакта в одной из фаз выключателя.

Самое плохое в этой ситуации то, что потребляемый ток при этом может быть сравним с номинальной величиной, то есть токовые защиты электродвигателя, в том числе расцепители теплового типа, защищающие от перегрузки на этот режим могут не среагировать.

Некоторые модели электрических машин содержат встроенные (температурные) датчики обмотки. Такие модификации электрических машин можно оснастить специальным устройством защиты электродвигателя, осуществляющие контроль теплового состояния электромашины.

Тепловые защитные устройства способны помочь и в случае перегрева при работе на двух фазах.

ЗАЩИТНЫЕ УСТРОЙСТВА ДВИГАТЕЛЕЙ ВЫШЕ 1000 ВОЛЬТ

Защищённость высоковольтных электрических машин обеспечивается только выносными релейными устройствами. Тепловой и электромагнитный расцепители являются прерогативой низковольтных устройств.

Принцип действия и расчёт уставок токовой отсечки и защиты от перегрузки такой же, как для низковольтных машин. Но кроме этого существуют специфические защитные устройства, не применяемые на низких напряжениях.

Защита от однофазных замыканий на землю.

Особенностью сетей высокого напряжения (6 – 10 кВ) является работа в режиме изолированной нейтрали. В таких сетях величина Iз замыкания на землю может составлять всего единицы ампер, что находится вне зоны чувствительности максимальных токовых защит от перегрузки.

Однофазные замыкания на землю характеризуются наличием токов нулевой последовательности, протекающих в одном направлении во всех трёх фазах.

Реле земляной защиты электродвигателя (это её название на жаргоне релейщиков) подключается к специальному трансформатору нулевой последовательности, представляющему собой тор (бублик), через который проходит кабель питания.

При этом через тор не должен проходить вывод экранирующей оболочки высоковольтного кабеля, в противном случае имеют место ложные срабатывания устройства с отключением выключателя.

© 2012-2019 г. Все права защищены.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов


eltechbook.ru

Защита однофазного электродвигателя от перегрузок

Если правильно эксплуатировать асинхронный двигатель, он прослужит очень долго. Однако существуют факторы, способные сократить срок его службы, и их требуется нейтрализовать. В случае входа в аварийный режим электромотор должен быть быстро и своевременно отключен, иначе он сгорит.

К стандартным и часто встречающимся аварийным ситуациям относятся:

  • Короткое замыкание (КЗ). В этом случае срабатывает защита, которая отключает мотор от сети.
  • Перегрузка, из-за которой происходит перегрев двигателя.
  • Уменьшение или исчезновение напряжения.
  • Отсутствие напряжения на одной фазе.

Для защиты служат плавкие предохранители, магнитные пускатели или реле. Плавкие предохранители является одноразовыми, и после сгорания их приходится заменять. Автоматические переключатели с коммутациями срабатывают и при перегрузках, и при КЗ. Реле и магнитные пускатели бывают многократного действия с автоматическим самовозвратом или с ручным возвратом.

Защита от КЗ настраивается с учетом 10-кратного превышения номинального тока токами пуска и торможения. При местных замыканиях в обмотках мотора защита должна срабатывать, когда ток меньше, чем при пуске. В защите также предусматривают задержку отключения, и она срабатывает, если за это время потребляемый из сети ток сильно возрастет. Если защита от перегрузки действует слишком часто, скорее всего, мощность мотора не соответствует его назначению. Ложные срабатывания устраняют, соответственно выбирая и регулируя компоненты защиты.

Следует помнить, что любые способы и схемы защиты асинхронного электродвигателя должны быть не только просты, но и надежны.

Короткие замыкания, а также защита от перегрузок

Плавкие вставки – простейшая защита от коротких замыканий для моторов мощностью до 100 кВт. Если перегорят не все 3 предохранителя, могут отключиться только 1 или 2 фазные обмотки.

Если переходный процесс длится 2-5 секунд, номинальный ток предохранителя не должен быть меньше 40 % величины пускового тока, а если 10-20 секунд – то минимум 50 %. При неизвестной величине пускового тока и мощности Р мотора меньше 100 кВт примерная величина номинального тока I вставки выбирается так:

  • при U 500 вольт I = 4,5 Р;
  • при U 380 вольт I = 6 Р;
  • при U 2200 вольт I = 10,5 Р.

Тепловая защита

Тепловое реле – это биметаллическая пластина, нагреваемая током обмоток мотора. Деформируясь, она активизирует контакты, отключающие мотор. Тепловые реле могут встраиваться в магнитные пускатели. Следует принимать в расчет максимальное напряжение в сети, при котором допускается применение теплового реле, и ток, при котором реле работает долгое время и не активизируется.

Тепловое реле не может реагировать на токи короткого замыкания. Не действуют на него и недолгие перегрузки, которые недопустимы. Поэтому рекомендуется совмещать использование теплового реле с плавкими вставками.

Специальный датчик тепла защищает электромотор от перегрева еще успешнее. Он устанавливается на самом электромоторе. Некоторые двигатели имеют встроенный биметаллический датчик, представляющий собой контакт, который подключен к защите.

Понижение напряжения и исчезновение фазы

Если асинхронный электромотор работает с полной нагрузкой, а напряжение при этом понижено, то он начинает быстро нагреваться. Если в него встроен температурный сенсор, включится тепловая защита.

Если же температурного сенсора не имеется, надо обеспечить защиту электродвигателя от падения напряжения. В таком случае используются реле. Когда уменьшается напряжение, они срабатывают и подают сигнал на отключение электродвигателя. Исходное состояние защиты может восстанавливаться вручную или автоматически; при этом происходит задержка во времени для каждого электромотора при их группе. В противном случае при одновременном групповом запуске после восстановления напряжение в сети может снова понизиться, и произойдет новое отключение.

Правила устройства и эксплуатации электроустановок требуют защиты от исчезновения фазы тока только в случаях экономически нецелесообразных последствий. Экономически выгоднее не изготавливать и устанавливать такую защитную систему, а устранить причины, приводящие к режиму работы только на двух фазах.

Новейшими устройствами для защиты электромоторов можно назвать автоматические выключатели, способные к воздушному гашению дуги. В некоторых конструкциях совмещаются возможности рубильника, контактора, максимального реле и термореле. В подобных моделях мощная взведенная пружина размыкает контакты. Ее освобождение зависит от того, каков исполнительный элемент – электромагнитный или тепловой.

Таким образом, защита асинхронного двигателя, способы и схемы которой изложены выше, должна реализовываться пользователем в обязательном порядке.

Главная страница » Электрический двигатель: комплексная релейная защита

Практически нет в эксплуатации техники, где не использовался бы электрический двигатель. Этот вид электромеханических приводов самой разной конфигурации применяется повсеместно. С конструктивной точки зрения, электромотор – оборудование несложное, вполне понятное и простое. Однако работа электродвигателя сопровождается значительными нагрузками разного характера. Именно поэтому на практике применяются реле защиты двигателя, функциональность которых также носит разносторонний характер. Степень эффективности, на которую рассчитана защита электрического двигателя, как правило, определяется схемными решениями внедрения реле и датчиков контроля.

Схема комплексной защиты двигателя

Существуют различные типы защитных реле, предназначенных исключить сбои двигателя при работе. Этими реле определяется рабочие состояние мотора, выходящее за рамки нормы, что в конечном итоге приводит к срабатыванию автоматического выключателя.

Комплексная защита двигателя обеспечивает контроль:

  • нарушений в обмотках и связанных цепях;
  • чрезмерной перегрузки и короткого замыкания;
  • дисбаланса трёхфазного и однофазного напряжения;
  • изменения порядка чередования фаз и коммутационных напряжений.

Основная характеристика защитных реле двигателя — это зависимость уменьшения времени срабатывания от увеличения магнитуды тока повреждения.

Устройства из серии приборов, гарантирующих целостность моторов при работе электрических двигателей в тяжелых эксплуатационных условиях

Рассмотрим различные варианты защиты, применяемые к традиционным электрическим двигателям, находящимся в эксплуатации.

Перечень защит и предназначение

Список часто применяемых защитных решений состоит из шести реализуемых функций:

  1. Перегрузка по току.
  2. Перегрев статорных обмоток.
  3. Перегрев ротора.
  4. Пониженное напряжение.
  5. Дисбаланс и пофазный сбой.
  6. Реверс фаз.

Прежде чем подробнее рассмотреть отмеченные схемы защиты, логичным видится разделить двигатели на две группы эксплуатационного статуса – значимые и малозначимые.

Перегрузка двигателя по току

Это основной функционал защиты, направленный на предотвращение короткого замыкания обмоток статора. Здесь предохранители и элементы прямого действия используются для защиты статорных обмоток двигателя.

Применительно к малозначимым сервисным моторам, для автоматического отключения используется мгновенное реле с обратно-зависимым временем реагирования на фазные перегрузки по току.

Схема защиты двигателя от перегрузки по току и замыканий на землю: 1, 2, 3 — трансформаторы тока; 4, 5, 6 — устройства отсечки по току; Ф1, Ф2, Ф3 — линейные фазы; 7 — земля

Реле чередования фаз обычно настраиваются на 3,5-4 кратное превышение рабочего тока двигателя, с учётом достаточной задержки по времени, чтобы исключить срабатывание в моменты запуска мотора.

Для сервисных двигателей высокой значимости реле тока с обратно-зависимым временем срабатывания, как правило, не используются. Причиной тому является задействованный автоматический выключатель непосредственно в цепи двигателя.

Перегрев статорных обмоток

Критичное состояние, в основном обусловленное непрерывной перегрузкой, торможением ротора или дисбалансом тока статора. Для полной защиты, в данном случае, трёхфазный двигатель необходимо оснастить элементами контроля перегрузки на каждой фазе.

Здесь для защиты малозначимых сервисных двигателей обычно используется защита от перегрузки по току либо прямое срабатывание на отключение от источника питания в случае перегрузки.

Если номинальная мощность двигателя превышает 1000 кВт, вместо одиночного реле с резистивным датчиком температуры, как правило, используется реле обратно-зависимого времени срабатывания по току.

Термисторы предельной температуры для статора двигателя: 1 — залуженная часть проводника 7-10 мм; 2 — размер длины 510 — 530 мм; 3 — длина термистора 12 мм; 4 — диаметр термистора 3 мм; Дуговые соединения длиной 200 мм

Для значимых моторов автоматическое отключение применяют по желанию. В качестве главного защитника от перегрева статорных обмоток используется тепловое реле.

Фактор перегрева ротора (фазного)

Защита от перегрева ротора часто встречается в двигателях с раневым (фазным) ротором. Увеличение тока ротора отражается на токе статора, что требует включения защиты от превышения тока статора.

Настройка реле защиты статора по току в целом составляет величину, равную току полной нагрузки, увеличенному в 1,6 раза. Этого значения вполне достаточно, чтобы определить перегрев фазного ротора и включить блокировку.

Защита от пониженного напряжения

Электродвигатель потребляет чрезмерный ток при работе под напряжением ниже установленной нормы. Поэтому защита от недостатка напряжения или перенапряжения должна обеспечиваться датчиками перегрузки или чувствительными температурными элементами.

Чтобы избежать перегрева, двигатель необходимо обесточить на 40-50 минут даже в случае небольших перегрузок, превышающих 10 — 15% норматива.

Классический вариант термального контроля статорной обмотки: Т — датчики температуры, встроенные непосредственно среди обмоточных проводников

Защитное реле следует использовать для контроля нагрева ротора двигателя из-за токов обратной последовательности, возникающих в статоре по причине дисбаланса напряжения питания.

Дисбаланс и пофазный сбой

Несбалансированное трехфазное питание также вызывает протекание тока обратной последовательности в обмотках статора двигателя. Подобное состояние вызывает перегрев обмотки статора и ротора (фазного).

Несбалансированное состояние, кратковременно передаваемое двигателю, необходимо контролировать и поддерживать на таком уровне, чтобы избежать появления непрерывного состояния дисбаланса.

Рекомендуется применять реле защиты двигателя, чувствительное на отказ обмотки статора. Например, на межфазное замыкание или короткое замыкание на землю.

Предпочтительно реле контроля межфазного замыкания питать от положительной фазы, а для защиты от замыканий на землю использовать дифференциальное реле мгновенной отсечки, подключенное в цепь контура трансформатора тока.

Непредусмотренный реверс фазы

В некоторых случаях реверс фазы видится опасным явлением для мотора. Например, такое состояние может негативно отражаться на работе лифтового оборудования, кранов, подъемников, некоторых видов общественного транспорта.

Здесь обязательно следует предусматривать защиту от реверса фаз – специализированное реле. Работа реле реверса фазы основана на электромагнитном принципе. Прибор содержит дисковый двигатель, приводимый в движение магнитной системой.

Плата и схема устройства реверса фазы: 1 — автоматический выключатель или плавкая вставка; 2 — защита от перегрузки; 3 — фаза текущая; 4 — реверс фазы; 5 — электродвигатель

Если отмечается правильная последовательность фаз, диск формирует крутящий момент в положительном направлении. Следовательно, вспомогательный контакт удерживается в закрытом положении.

Когда фиксируется реверс фазы, крутящий момент диска изменяется на противоположное направление. Следовательно, вспомогательный контакт переключается в открытое положение.

Эта система коммутации используется для защиты, в частности – для управления автоматическим выключателем.

Традиционная защита асинхронных двигателей

Схема защиты трехфазных асинхронных двигателей небольшой мощности показана на рисунке ниже. Магнитный контактный пускатель содержит группу кнопок пуска и останова, связанных соответствующими вспомогательными контактами, защитными устройствами перегрузки или недогрузки.

Стартовая кнопка (КН1) представляет собой обычный прямой контактный переключатель, который обычно удерживается в нормально открытом состоянии усилием пружины. В свою очередь кнопка останова (КН2) удерживается в состоянии нормально закрытом также посредством пружины.

Стоит нажать кнопку пуска (замкнуть линию), рабочая катушка контактора получает питание через контакты (ВК) реле перегрузки (Р1-Р3). Образованное магнитное поле катушки притягивает металлический сердечник контактора.

В результате замыкаются три главных контакта (К1-К3) магнитного пускателя, через которые электродвигатель (М) соединяется с трёхфазным источником питания.

Схема пуска, останова и аварийной блокировки: П1, П2, П3 — плавкие предохранители; Р1, Р2, Р3 — токовые реле; ВК — контакты блокировки; КП — катушка пускателя; К1, К2, К3 — контакторы пускателя; КН1 — кнопка пуска; КН2 — кнопка останова; М- мотор

Пока кнопка «пуск» (КН1) замкнута, цепь питания проходит через контакты кнопки «стоп» (КН2) и катушку магнитного пускателя (КП). Между тем, цепь питания катушки индуктивности теперь уже поддерживается иной схемой.

Поддержка осуществляется вспомогательными контактами (ВК) реле с токовым управлением (Р1-Р3), поэтому возврат кнопки «пуск» в исходное положение ситуацию не изменит. Контактор останется замкнутым, а двигатель в работе.

Как работает функционал защиты

Обычно двигатели мощностью до 20 кВт рассматриваются как маломощные аппараты. Максимум защиты таких моторов обеспечивается:

  • предохранителями с высокой отключающей способностью,
  • биметаллическими реле и
  • реле напряжения.

Все эти элементы защиты собраны, как правило, в структуре магнитного пускателя.

Чаще всего выгорание линейных предохранителей защиты двигателя отмечается на одной фазе. Этот обрыв может оставаться не обнаруженным, даже если двигатель защищён обычным биметаллическим реле.

Структура предохранителя: 1 — торцевая крышка; 2 — кремнезём; 3 — фарфоровый корпус; 4 — выступ крепежа; 5 — предохраняющий элемент; 6 — оловянный сплав; 7 — конструкция управления дугой

Обнаружение обрыва фазы зачастую не дают и реле напряжения, подключенные на каждой линии. Несмотря на обрыв одной фазы, схемой обмоток электродвигателя поддерживается значительная обратная ЭДС на клемме фазы, находящейся в обрыве.

Поэтому уровень напряжения на реле остаётся достаточно высоким, что не приводит к срабатыванию. Однако сложности обнаружения подобных дефектов вполне преодолимы.

Достаточно использовать дополнительный набор из трех реле, управляемых по току. Подключение наглядно демонстрирует схема защиты двигателя, показанная выше.

Защитные функции токовых реле

Управляемые током реле — устройства простые, но обладающие эффектом мгновенной отсечки. Конструктивно прибор состоит из следующих деталей:

  • катушка тока;
  • один или несколько нормально разомкнутых контактов.

Механизм движения контактов управляются ЭДС катушки тока. Традиционно токовые реле подключаются на каждой фазе последовательно с плавкими защитными предохранителями.

Когда срабатывает магнитный пускатель, электродвигатель запускается, ток питания течёт через катушку. Магнитодвижущая сила катушки (ЭДС) воздействует на механику и замыкает контакты реле. Цепь питания мотора замыкается.

Блокиратор токовой перегрузки: 1 — электрические коннекторы; 2 — индикатор отключения; 3 — тест; 4 — клеммы для проводников двигателя; 5 — сигнальный контакт; 6 — кнопка сброса; 7 — селектор «авто» или «ручной»; 8 — кнопка останова; 9 — шкала установки тока; 10 — механическая защёлка

Если, вдруг, случится обрыв фазы, ток катушки индуктивности снижается, контакты соответствующего реле переключаются в нормально-открытое положение.

Учитывая, что контакты всех трех защитных реле соединяются последовательно, цепь питания мотора разомкнётся.

Защитные функции тепловых реле

Все классические конструкции моторов предполагают использование опорных и упорных подшипников. В зависимости от мощности электродвигателей, может устанавливаться тот или иной вид подшипников, либо оба вида вместе.

Неисправность подшипника любого вида нередко приводит к полной остановке вращения ротора. Внезапное механическое заклинивание, в свою очередь, провоцирует резкий подъём тока статорной обмотки двигателя и последующий перегрев.

Здесь токовая защита не способна удовлетворительно реагировать на событие. Как правило, этот вид защиты настроен с учётом стартового тока двигателя и короткой временной составляющей. Проблема клина может быть решена только путём внедрения защиты от тепловой перегрузки.

Также защиту в данном случае допустимо обеспечить индивидуальным модулем, настроенным на определенное время срабатывания по току. В случае применения тепловой отсечки, разумно ставить датчик температуры, встроенный непосредственно в подшипниковый узел.

Теоретический минимум по защите электродвигателей

В качестве типовых элементов защиты электродвигателей чаще всего применяют электротепловые реле. Конструкторы вынуждены завышать номинальный ток этих реле, чтобы не было срабатываний при пуске. Надежность такой защиты невелика, и большой процент двигателей выходит из строя в процессе эксплуатации.

Схема устройства защиты двигателей (см. рисунок) от неполнофазных режимов и перегрузки отличается повышенной надежностью. Транзисторы VT1, VT2 совместно с присоединенными к ним эллементами образуют аналог динистора, напряжение включения которого (Uвкл) зависит от отношения R6/R7. При указанных на схеме номиналах 30 В U вкл

Если произойдет обрыв фазы или перегрузка двигателя, то напряжение на выходе выпрямителя превысит Uвкл, транзисторы VT1, VT2 откроются, и реле KV1 окажется под напряжением. Контакты KV1.1 разорвут цепь блокировки магнитного пускателя, и двигатель выключится. Контакты KV1.2 блокируют транзисторы VT1 и VT2, подготавливая схему к следующему циклу работы. Скорость срабатывания защиты зависит от емкости конденсатора СЗ. Длительность импульса включения реле KV1 зависит от сопротивления обмотки KV1 и емкости конденсатора СЗ. В некоторых пределах скорость защиты можно менять, подбирая номиналы С1, С2, R1 — R3.

Все детали, кроме R1. R3 и Т1, монтируют на печатной плате. После сборки платы надо подключить вольтметр к СЗ и, подав на один из входов выпрямителя (С1 или С2) переменное напряжение 20-24 В, проверяют напряжение включения VT1 и VT2. При необходимости надо подобрать сопротивление резистора R6. Реле KV1 будет периодически включаться. Окончательно налаживают схему на действующем двигателе. Сначала надо подобрать количество витков w1 в пределах 1-10 витков (зависит от мощности двигателя), чтобы в нормальном режиме на цепочку R4, R5 поступало 22-24 В. Резистором R4 устанавливают порог срабатывания защиты по перегрузке. Если происходит срабатывание при пуске, то надо увеличить емкость конденсатора СЗ, не меняя положения движка R4. После этого проверить работу схемы, имитируя непол-нофазный режим.

В качестве VD1. VD4 можно применить любые выпрямительные диоды с Uобр > 100 В и током более 30 мА. Транзисторы VT1, VT2 можно заменить на КТ361 или КТ315. Реле KV1 на напряжение 24 В с контактами, годными для коммутации в цепях 220 В переменного тока.

В трансформаторе Т1 лучше всего применить легкоразборный ленточный стержневой сердечник сечением 2-4 см2. Вторичную обмотку можно намотать проводом 0,15-0,2 мм 1000-1500 витков, а первичную — монтажным проводом подходящего сечения. Резисторы R1. R3 необходимо установить непосредственно на двигателе, залив их битумом для защиты от влаги.

Литература 1. Коломейцев К. Защита электродвигателя от работы на двух фазах //Радиолюбитель.- 1999.-№ 1.-С.29.

mytooling.ru

Электрический двигатель: комплексная релейная защита

Главная страница » Электрический двигатель: комплексная релейная защита

Практически нет в эксплуатации техники, где не использовался бы электрический двигатель. Этот вид электромеханических приводов самой разной конфигурации применяется повсеместно. С конструктивной точки зрения, электромотор – оборудование несложное, вполне понятное и простое. Однако работа электродвигателя сопровождается значительными нагрузками разного характера. Именно поэтому на практике применяются реле защиты двигателя, функциональность которых также носит разносторонний характер. Степень эффективности, на которую рассчитана защита электрического двигателя, как правило, определяется схемными решениями внедрения реле и датчиков контроля.

СОДЕРЖИМОЕ ПУБЛИКАЦИИ :

Схема комплексной защиты двигателя

Существуют различные типы защитных реле, предназначенных исключить сбои двигателя при работе. Этими реле определяется рабочие состояние мотора, выходящее за рамки нормы, что в конечном итоге приводит к срабатыванию автоматического выключателя.

Комплексная защита двигателя обеспечивает контроль:

  • нарушений в обмотках и связанных цепях;
  • чрезмерной перегрузки и короткого замыкания;
  • дисбаланса трёхфазного и однофазного напряжения;
  • изменения порядка чередования фаз и коммутационных напряжений.

Основная характеристика защитных реле двигателя — это зависимость уменьшения времени срабатывания от увеличения магнитуды тока повреждения.

Защитные реле моторовУстройства из серии приборов, гарантирующих целостность моторов при работе электрических двигателей в тяжелых эксплуатационных условиях

Рассмотрим различные варианты защиты, применяемые к традиционным электрическим двигателям, находящимся в эксплуатации.

Перечень защит и предназначение

Список часто применяемых защитных решений состоит из шести реализуемых функций:

  1. Перегрузка по току.
  2. Перегрев статорных обмоток.
  3. Перегрев ротора.
  4. Пониженное напряжение.
  5. Дисбаланс и пофазный сбой.
  6. Реверс фаз.

Прежде чем подробнее рассмотреть отмеченные схемы защиты, логичным видится разделить двигатели на две группы эксплуатационного статуса – значимые и малозначимые.

Перегрузка двигателя по току

Это основной функционал защиты, направленный на предотвращение короткого замыкания обмоток статора. Здесь предохранители и элементы прямого действия используются для защиты статорных обмоток двигателя.

Применительно к малозначимым сервисным моторам, для автоматического отключения используется мгновенное реле с обратно-зависимым временем реагирования на фазные перегрузки по току.

Схема реле срабатывающего по токуСхема защиты двигателя от перегрузки по току и замыканий на землю: 1, 2, 3 — трансформаторы тока; 4, 5, 6 — устройства отсечки по току; Ф1, Ф2, Ф3 — линейные фазы; 7 — земля

Реле чередования фаз обычно настраиваются на 3,5-4 кратное превышение рабочего тока двигателя, с учётом достаточной задержки по времени, чтобы исключить срабатывание в моменты запуска мотора.

Для сервисных двигателей высокой значимости реле тока с обратно-зависимым временем срабатывания, как правило, не используются. Причиной тому является задействованный автоматический выключатель непосредственно в цепи двигателя.

Перегрев статорных обмоток

Критичное состояние, в основном обусловленное непрерывной перегрузкой, торможением ротора или дисбалансом тока статора. Для полной защиты, в данном случае, трёхфазный двигатель необходимо оснастить элементами контроля перегрузки на каждой фазе.

Здесь для защиты малозначимых сервисных двигателей обычно используется защита от перегрузки по току либо прямое срабатывание на отключение от источника питания в случае перегрузки.

Если номинальная мощность двигателя превышает 1000 кВт, вместо одиночного реле с резистивным датчиком температуры, как правило, используется реле обратно-зависимого времени срабатывания по току.

Температурный датчик для двигателя Термисторы предельной температуры для статора двигателя: 1 — залуженная часть проводника 7-10 мм; 2 — размер длины 510 — 530 мм; 3 — длина термистора 12 мм; 4 — диаметр термистора 3 мм; Дуговые соединения длиной 200 мм

Для значимых моторов автоматическое отключение применяют по желанию. В качестве главного защитника от перегрева статорных обмоток используется тепловое реле.

Фактор перегрева ротора (фазного)

Защита от перегрева ротора часто встречается в двигателях с раневым (фазным) ротором. Увеличение тока ротора отражается на токе статора, что требует включения защиты от превышения тока статора.

Настройка реле защиты статора по току в целом составляет величину, равную току полной нагрузки, увеличенному в 1,6 раза. Этого значения вполне достаточно, чтобы определить перегрев фазного ротора и включить блокировку.

Защита от пониженного напряжения

Электродвигатель потребляет чрезмерный ток при работе под напряжением ниже установленной нормы. Поэтому защита от недостатка напряжения или перенапряжения должна обеспечиваться датчиками перегрузки или чувствительными температурными элементами.

Чтобы избежать перегрева, двигатель необходимо обесточить на 40-50 минут даже в случае небольших перегрузок, превышающих 10 — 15% норматива.

Термальная защита электродвигателяКлассический вариант термального контроля статорной обмотки: Т — датчики температуры, встроенные непосредственно среди обмоточных проводников

Защитное реле следует использовать для контроля нагрева ротора двигателя из-за токов обратной последовательности, возникающих в статоре по причине дисбаланса напряжения питания.

Дисбаланс и пофазный сбой

Несбалансированное трехфазное питание также вызывает протекание тока обратной последовательности в обмотках статора двигателя. Подобное состояние вызывает перегрев обмотки статора и ротора (фазного).

Несбалансированное состояние, кратковременно передаваемое двигателю, необходимо контролировать и  поддерживать на таком уровне, чтобы избежать появления непрерывного состояния дисбаланса.

Рекомендуется применять реле защиты двигателя, чувствительное  на отказ обмотки статора. Например, на межфазное замыкание или короткое замыкание на землю.

Предпочтительно реле контроля межфазного замыкания питать от положительной фазы, а для защиты от замыканий на землю использовать дифференциальное реле мгновенной отсечки, подключенное в цепь контура трансформатора тока.

Непредусмотренный реверс фазы

В некоторых случаях реверс фазы видится опасным явлением для мотора. Например, такое состояние может негативно отражаться на работе лифтового оборудования, кранов, подъемников, некоторых видов общественного транспорта.

Здесь обязательно следует предусматривать защиту от реверса фаз – специализированное реле. Работа реле реверса фазы основана на электромагнитном принципе. Прибор содержит дисковый двигатель, приводимый в движение магнитной системой.

Схема реле реверса фазыПлата и схема устройства реверса фазы: 1 — автоматический выключатель или плавкая вставка; 2 — защита от перегрузки; 3 — фаза текущая; 4 — реверс фазы; 5 — электродвигатель

Если отмечается правильная последовательность фаз, диск формирует крутящий момент в положительном направлении. Следовательно, вспомогательный контакт удерживается в закрытом положении.

Когда фиксируется реверс фазы, крутящий момент диска изменяется на противоположное направление. Следовательно, вспомогательный контакт переключается в открытое положение.

Эта система коммутации используется для защиты, в частности – для управления автоматическим выключателем.

Традиционная защита асинхронных двигателей

Схема защиты трехфазных асинхронных двигателей небольшой мощности показана на рисунке ниже. Магнитный контактный пускатель содержит группу кнопок пуска и останова, связанных соответствующими вспомогательными контактами, защитными устройствами перегрузки или недогрузки.

Стартовая кнопка (КН1) представляет собой обычный прямой контактный переключатель, который обычно удерживается в нормально открытом состоянии усилием пружины. В свою очередь кнопка останова (КН2) удерживается в состоянии нормально закрытом также посредством пружины.

Стоит нажать кнопку пуска (замкнуть линию), рабочая катушка контактора получает питание через контакты (ВК) реле перегрузки (Р1-Р3). Образованное магнитное поле катушки притягивает металлический сердечник контактора.

В результате замыкаются три главных контакта (К1-К3) магнитного пускателя, через которые электродвигатель (М) соединяется с трёхфазным источником питания.

Схема защиты электродвигателяСхема пуска, останова и аварийной блокировки: П1, П2, П3 — плавкие предохранители; Р1, Р2, Р3 — токовые реле; ВК — контакты блокировки; КП — катушка пускателя; К1, К2, К3 — контакторы пускателя; КН1 — кнопка пуска; КН2 — кнопка останова; М- мотор

Пока кнопка «пуск» (КН1) замкнута, цепь питания проходит через контакты кнопки «стоп» (КН2) и катушку магнитного пускателя (КП). Между тем, цепь питания катушки индуктивности теперь уже поддерживается иной схемой.

Поддержка осуществляется вспомогательными контактами (ВК) реле с токовым управлением (Р1-Р3), поэтому возврат кнопки «пуск» в исходное положение ситуацию не изменит. Контактор останется замкнутым, а двигатель в работе.

Как работает функционал защиты

Обычно двигатели мощностью до 20 кВт рассматриваются как маломощные аппараты. Максимум защиты таких моторов обеспечивается:

  • предохранителями с высокой отключающей способностью,
  • биметаллическими реле и
  • реле напряжения.

Все эти элементы защиты собраны, как правило, в структуре магнитного пускателя.

Чаще всего выгорание линейных предохранителей защиты двигателя отмечается на одной фазе. Этот обрыв может оставаться не обнаруженным, даже если двигатель защищён обычным биметаллическим реле.

Защитный предохранитель для электродвигателяСтруктура предохранителя: 1 — торцевая крышка; 2 — кремнезём; 3 — фарфоровый корпус; 4 — выступ крепежа; 5 — предохраняющий элемент; 6 — оловянный сплав; 7 — конструкция управления дугой

Обнаружение обрыва фазы зачастую не дают и реле напряжения, подключенные на каждой линии. Несмотря на обрыв одной фазы, схемой обмоток электродвигателя поддерживается значительная обратная ЭДС на клемме фазы, находящейся в обрыве.

Поэтому уровень напряжения на реле остаётся достаточно высоким, что не приводит к срабатыванию. Однако сложности обнаружения подобных дефектов вполне преодолимы.

Достаточно использовать дополнительный набор из трех реле, управляемых по току. Подключение наглядно демонстрирует схема защиты двигателя, показанная выше.

Защитные функции токовых реле

Управляемые током реле — устройства простые, но обладающие эффектом мгновенной отсечки. Конструктивно прибор состоит из следующих деталей:

  • катушка тока;
  • один или несколько нормально разомкнутых контактов.

Механизм движения контактов управляются ЭДС катушки тока. Традиционно токовые реле подключаются на каждой фазе последовательно с плавкими защитными предохранителями.

Когда срабатывает магнитный пускатель, электродвигатель запускается, ток питания течёт через катушку. Магнитодвижущая сила катушки (ЭДС) воздействует на механику и замыкает контакты реле. Цепь питания мотора замыкается.

Элементы реле управляемого токомБлокиратор токовой перегрузки: 1 — электрические коннекторы; 2 — индикатор отключения; 3 — тест; 4 — клеммы для проводников двигателя; 5 — сигнальный контакт; 6 — кнопка сброса; 7 — селектор «авто» или «ручной»; 8 — кнопка останова; 9 — шкала установки тока; 10 — механическая защёлка

Если, вдруг, случится обрыв фазы, ток катушки индуктивности снижается, контакты соответствующего реле переключаются в нормально-открытое положение.

Учитывая, что контакты всех трех защитных реле соединяются последовательно, цепь питания мотора разомкнётся.

Защитные функции тепловых реле

Все классические конструкции моторов предполагают использование опорных и упорных подшипников. В зависимости от мощности электродвигателей, может устанавливаться тот или иной вид подшипников, либо оба вида вместе.

Неисправность подшипника любого вида нередко приводит к полной остановке вращения ротора. Внезапное механическое заклинивание, в свою очередь, провоцирует резкий подъём тока статорной обмотки двигателя и последующий перегрев.

Здесь токовая защита не способна удовлетворительно реагировать на событие. Как правило, этот вид защиты настроен с учётом стартового тока двигателя и короткой временной составляющей. Проблема клина может быть решена только путём внедрения защиты от тепловой перегрузки.

Также защиту в данном случае допустимо обеспечить индивидуальным модулем, настроенным на определенное время срабатывания по току. В случае применения тепловой отсечки, разумно ставить датчик температуры, встроенный непосредственно в подшипниковый узел.

Теоретический минимум по защите электродвигателей

zetsila.ru

11. Защита электродвигателей

Защита электродвигателей.

Виды повреждений и ненормальных режимов работы ЭД.

Повреждения электродвигателей. В обмотках электродвигателей могут возникать замыкания на землю одной фазы статора, замыкания между витками и многофазные КЗ. Замыкания на землю и многофазные КЗ могут также возникать на выводах электродвигателей, в кабелях, муфтах и воронках. Короткие замыкания в электродвигателях сопровождаются прохождением больших токов, разрушающих изоляцию и медь обмоток, сталь ротора и статора. Для защиты электродвигателей от многофазных КЗ служит токовая отсечка или продольная дифференциальная защита, действующие на отключение.

Однофазные замыкания на землю в обмотках статора электродвигателей напряжением 3—10 кВ менее опасны по сравнению с КЗ, так как сопровождаются прохождением токов 5—20 А, определяемых емкостным током сети. Учитывая сравнительно небольшую стоимость электродвигателей мощностью менее 2000 кВт, защита от замыканий на землю устанавливается на них при токе замыкания на землю более 10 А, а на электродвигателях мощностью более 2000 кВт — при токе замыкания на землю более 5 А защита действует на отключение.

Защита от витковых замыканий на электродвигателях не устанавливается. Ликвидация повреждений этого вида осуществляется другими защитами электродвигателей, поскольку витковые замыкания в большинстве случаев сопровождаются замыканием на землю или переходят в многофазное КЗ.

Электродвигатели напряжением до 600 В защищаются от КЗ всех видов (в том числе и от однофазных) с помощью плавких предохранителей или быстродействующих электромагнитных расцепителей автоматических выключателей.

Ненормальные режимы работы. Основным видом ненормального режима работы для электродвигателей является перегрузка их токами больше номинального. Допустимое время перегрузки электродвигателей, с, определяется по следующему выражению:

Рис. 6.1. Зависимость тока электродвигателя от частоты вращения ротора.

где k кратность тока электродвигателя по отношению к номинальному; А — коэффициент, зависящий от типа и исполнения электродвигателя: А == 250 — для закрытых электродвигателей, имеющих большую массу и размеры, А = 150 — для открытых электродвигателей.

Перегрузка электродвигателей может возникнуть вследствие перегрузки механизма (например, завала углем мельницы или дробилки, забивания пылью вентилятора или кусками шлака насоса золоудаления и т. п.) и его неисправности (например, повреждения подшипников и т. п.). Токи, значительно превышающие номинальные, проходят при пуске и самозапуске электродвигателей. Это происходит вследствие уменьшения сопротивления электродвигателя при уменьшении его частоты вращения. Зависимость тока электродвигателя I от частоты вращения п при постоянном напряжении на его выводах приведена на рис. 6.1. Ток имеет наибольшее значение, когда ротор электродвигателя остановлен; этот ток, называемый пусковым, в несколько раз превышает номинальное значение тока электродвигателя. Защита от перегрузки может действовать на сигнал, разгрузку механизма или отключение электродвигателя. После отключения КЗ напряжение на выводах электродвигателя восстанавливается и частота его вращения начинает увеличиваться. При этом по обмоткам электродвигателя проходят большие токи, значения которых определяются частотой вращения электродвигателя и напряжением на его выводах. Снижение частоты вращения всего на 10—25 % приводит к уменьшению сопротивления электродвигателя до минимального значения, соответствующего пусковому току. Восстановление нормальной работы электродвигателя после отключения КЗ называется самозапуском, а токи, проходящие при этом, — токами самозапуска.

На всех асинхронных электродвигателях самозапуск может быть осуществлен без опасности их повреждения, и поэтому их защита должна быть отстроена от режима самозапуска. От возможности и длительности самозапуска асинхронных электродвигателей основных механизмов собственных нужд зависит бесперебойная работа тепловых электростанций. Если из-за большого снижения напряжения нельзя обеспечить самозапуск всех работающих электродвигателей, часть из них приходится отключать. Для этого используется специальная защита минимального напряжения, отключающая неответственные электродвигатели при снижении напряжения на их выводах до 60—70 % номинального. В случае обрыва одной из фаз обмотки статора электродвигатель продолжает работать. Частота вращения ротора при этом несколько уменьшается, а обмотки двух неповрежденных фаз перегружаются током в 1,5—2 раза большим номинального. Защита электродвигателя от работы на двух фазах применяется лишь на электродвигателях, защищенных предохранителями, если двухфазный режим работы может повлечь за собой повреждение электродвигателя.

На мощных тепловых электростанциях в качестве привода для дымососов, дутьевых вентиляторов и циркуляционных насосов получили широкое распространение двухскоростные асинхронные электродвигатели напряжением 6 кВ. Эти электродвигатели выполняются с двумя независимыми статорными обмотками, каждая из которых подключается через отдельный выключатель, причем обе статорные обмотки одновременно не могут быть включены, для чего в схемах управления предусмотрена специальная блокировка. Применение таких электродвигателей позволяет экономить электроэнергию путем изменения их частоты вращения в зависимости от нагрузки агрегата. На таких электродвигателях устанавливается по два комплекта релейной защиты.

В эксплуатации применяются также схемы электропривода, предусматривающие вращение механизма (например, шаровой мельницы) двумя спаренными электродвигателями, которые присоединяются к одному выключателю. При этом все защиты являются общими для обоих электродвигателей, за исключением токовой защиты нулевой последовательности, которая предусматривается для каждого электродвигателя и выполняется с помощью токовых реле, подключенных к ТТ нулевой последовательности, установленным на каждом кабеле.

Защита асинхронных ЭД от междуфазных к.з., перегрузок и замыканий на землю.

Для защиты от многофазных КЗ электродвигателей мощностью до 5000 кВт обычно используется максимальная токовая отсечка. Наиболее просто токовую отсечку можно выполнить с реле прямого действия, встроенными в привод выключателя. С реле косвенною действия применяется одна из двух схем соединения ТТ и реле, приведенных на рис. 6.2 и 6.3. Отсечка выполняется с независимыми токовыми реле. Использование токовых реле с зависимой характеристикой (рис. 6 3) позволяет обеспечить с помощью одних и тех же реле защиту от КЗ и перегрузки. Ток срабатывания отсечки выбирается -по следующему выражению:

где kсх — коэффициент схемы, равный 1 для схемы на рис. 6.3 и v3 для схемы на рис. 6.2; Iпуск —пусковой ток электродвигателя.

Если ток срабатывания реле отстроен от пускового тока, отсечка, как правило, надежно отстроена и от. тока, который электродвигатель посылает в сечь при внешнем КЗ.

Зная номинальный ток электродвигателя Iном и кратность пускового тока kп, указываемую в каталогах, можно подсчитать пусковой ток по следующему выражению:

Рис. 6.2 Схема защиты электродвигателя токовой отсечкой с одним токовым реле мгновенного действия: а — цепи тока, б — цепи оперативного постоянного тока

Как видно по осциллограмме, приведенной на рис. 6.4, на которой показан пусковой ток электродвигателя питательного насоса, в первый момент пуска появляется кратковременный пик намагничивающего тока, превышающий пусковой ток электродвигателя. Для отстройки от этого пика ток срабатывания отсечки выбирается с учетом коэффициента надежности: kн=1,8 для реле типа РТ-40, действующих через промежуточное реле; kн = 2 для реле типов ИТ-82, ИТ-84 (РТ-82, РТ-84), а также для реле прямого действия.

Рис. 6.3. Схема защиты электродвигателя от коротких замыканий и перегрузки с двумя реле типа РТ-84: а— цепи тока, б — цепи оперативного постоянного тока.

Т

Рис. 6 4. Осциллограмма пускового тока электродвигателя.

токовую отсечку электродвигателей мощностью до 2000 кВт следует выполнять, как правило, по наиболее простой и дешевой однорелейной схеме (см. рис. 6.2). Однако недостатком этой схемы является более низкая чувствительность по сравнению с отсечкой, выполненной по схеме на рис. 6.3, к двухфазным КЗ между одной из фаз, на которых установлен ТТ, и фазой без ТТ. Это имеет место, так как ток срабатывания отсечки, выполненной по однорелейной схеме, согласно (6.1) в vЗ раз больше, чем в двухрелейной схеме. Поэтому на электродвигателях мощностью 2000—5000 кВт токовая отсечка для повышения чувствительности выполняется двухрелейной. Двухрелейную схему отсечки следует также применять на электродвигателях мощностью до 2000 кВт, если коэффициент чувствительности однорелейной схемы при двухфазном КЗ на выводах электродвигателя меньше двух.

На электродвигателях мощностью 5000 кВт и более устанавливается продольная дифференциальная защита, обеспечивающая более высокую чувствительность к КЗ на выводах и в обмотках электродвигателей. Эта защита выполняется в двухфазном или в трехфазном исполнении с реле типа РНТ-565 (аналогично защите генераторов). Ток срабатывания рекомендуется принимать 2Iном.

Поскольку защита в двухфазном исполнении не реагирует на двойные замыкания на землю, одно из которых возникает в обмотке электродвигателя на фазе В, в которой отсутствует ТТ, дополнительно устанавливается специальная защита от двойных замыканий без выдержки времени.

ЗАЩИТА ОТ ПЕРЕГРУЗКИ

Защита от перегрузки устанавливается только на электродвигателях, подверженных технологическим перегрузкам (мельничных вентиляторов, дымососов, мельниц, дробилок, багерных насосов и т. п.), как правило, с действием на сигнал или разгрузку механизма. Так, например, на электродвигателях шахтных мельниц защита может действовать на отключение электродвигателя механизма, подающего уголь, благодаря чему предотвращается завал мельницы углем.

Защита от перегрузки должна отключать электродвигатель, на котором она установлена, только в том случае, если без остановки электродвигателя нельзя устранить причину, вызвавшую перегрузку. Использование защиты от перегрузки с действием на отключение целесообразно также в установках без обслуживающего персонала.

Ток срабатывания защиты от перегрузки принимается равным:

где kн = 1,1—1,2.

При этом реле защиты от перегрузки смогут сработать от пускового тока, поэтому выдержка времени защиты принимается 10—20 с по условию отстройки от времени пуска электродвигателя. Защита от перегрузки выполняется с помощью индукционного элемента реле типа ИТ-80 (РТ-80) (см. рис 6.3). Если электродвигатель при перегрузках должен отключаться, в схеме защиты используются реле типа ИТ-82 (РТ-82). На электродвигателях, защита которых от перегрузки не должна действовать на отключение, целесообразно использовать реле с двумя парами контактов типа ИТ-84 (РТ-84), обеспечивающие раздельное действие отсечки и индукционного элемента.

Для ряда электродвигателей (дымососов, дутьевых вентиляторов, мельниц), время разворота которых составляет 30—35 с, схема защиты от перегрузки с реле РТ-84 дополняется реле времени типа ЭВ-144, которое приходит в действие после замыкания контакта токового реле. При этом выдержка времени защиты может быть увеличена до 36 с. В последнее время для защиты от перегрузки электродвигателей собственных нужд применяется схема защиты с одним реле тока типа РТ-40 и одним реле времени типа ЭВ-144, а для электродвигателей с временем пуска более 20 с — реле времени типа ВЛ-34 (со шкалой 1—100 с).

Защита минимального напряжения.

После отключения КЗ происходит самозапуск электродвигателей, подключенных к секции или системе шин, на которых во время КЗ имело место снижение напряжения. Токи самозапуска, в несколько раз превышающие номинальные, проходят по питающим линиям (или трансформаторам) собственных нужд. В результате напряжение на шинах собственных нужд, а следовательно, и на электродвигателях понижается настолько, что вращающий момент на валу электродвигателя может оказаться недостаточным для его разворота. Самозапуск электродвигателей может не произойти, если напряжение на шинах окажется ниже 55—65 % Iном. Для того чтобы обеспечить самозапуск наиболее ответственных электродвигателей, устанавливается защита минимального напряжения, отключающая неответственные электродвигатели, отсутствие которых в течение некоторого времени не отразится на производственном процессе. При этом уменьшается суммарный ток самозапуска и повышается напряжение на шинах собственных нужд, благодаря чему обеспечивается самозапуск ответственных электродвигателей.

В некоторых случаях при длительном отсутствии напряжения защита минимального напряжения отключает и ответственные электродвигатели. Это необходимо, в частности, для пуска схемы АВР электродвигателей, а также по технологии производства. Так, например, в случае остановки всех дымососов необходимо отключить мельничные и дутьевые вентиляторы и питатели пыли; в случае остановки дутьевых вентиляторов — мельничные вентиляторы и питатели пыли. Отключение ответственных электродвигателей защитой минимального напряжения производится также в тех случаях, когда их самозапуск недопустим по условиям техники безопасности или из-за опасности повреждения приводимых механизмов.

Наиболее просто защиту минимального напряжения можно выполнить с одним реле напряжения, включенным на междуфазное напряжение. Однако такое выполнение защиты ненадежно, так как при обрывах в цепях напряжения возможно ложное отключение электродвигателей. Поэтому однорелейная схема защиты применяется только при использовании реле прямого действия.Для предотвращения ложного срабатывания защиты при нарушении цепей напряжения применяются специальные схемы включения реле напряжения. Одна из таких схем для четырех электродвигателей, разработанная в Тяжпромэлектропроекте, показана на рис. 6.5. Реле минимального напряжения прямого действия КVТ1—KVT4 включены на междуфазные напряжения ab и bс. Для повышения надежности защиты эти реле питаются отдельно от приборов и счетчиков, которые подключены к цепям напряжения через трехфазный автоматический выключатель SF3 с мгновенным электромагнитным расцепителем (использованы две фазы автоматического выключателя).

Фаза В цепей напряжения заземлена не глухо, а через пробивной предохранитель FV, чю исключает возможность однофазных КЗ в цепях напряжения и также повышает надежность защиты. В фазе А защиты установлен однофазный автоматический выключатель SFI с электромагнитным мгновенным расцепителем, а в фазе С — автоматический выключатель с замедленным тепловым расцепителем. Между фазами А и С включен конденсатор С емкостью порядка 30 мкФ, назначение которого указано ниже.

Рис. 6 5. Схема защиты минимального напряжения с реле прямого действия типа РНВ

При повреждениях в цепях напряжения рассматриваемая защита будет вести себя следующим образом. Замыкание одной из фаз на землю, как уже отмечалось выше, не приводит к отключению автоматических выключателей, так как цепи напряжения не имеют глухого заземления. При двухфазном КЗ фаз В и С отключится только автоматический выключатель SF2 фазы С. Реле напряжения KVT1 и KVT2 остаются при этом подключенными к нормальному напряжению и поэтому не запускаются. Реле KVT3 и KVT4, запустившиеся при КЗ в цепях напряжения, после отключения автоматического выключателя SF2 вновь подтянутся, так как на них будет подано напряжение от фазы А через конденсатор С. При КЗ фаз АВ или АС отключится автоматический выключатель SF1, установленный в фазе А. После отключения КЗ реле KVT1 и KVT2 вновь подтянутся под действием напряжения от фазы С, поступающего через конденсатор С. Реле KVT3 и KVT4 не запустятся. Аналогично будут вести себя реле и при обрыве фаз А и С. Таким образом, рассматриваемая схема защиты не работает ложно при наиболее вероятных повреждениях цепей напряжения. Ложная работа защиты возможна только при маловероятных повреждениях цепей напряжения — трехфазном КЗ или при отключении автоматических выключателей SF1 и SF2. Сигнализация неисправности цепей напряжения осуществляется контактами реле KV1.1, KV2.1, KV3.1 и контактами автоматических выключателей SF1.1, SF2.1, SF3.1.

В установках с постоянным оперативным током защита минимального напряжения выполняется для каждой секции сборных шин собственных нужд по схеме, приведенной на рис. 6.6. В цепи реле времени КТ1, действующего на отключение неответственных электродвигателей, включены последовательно контакты трех минимальных реле напряжения KV1. Благодаря такому включению реле предотвращается ложное срабатывание защиты при перегорании любого предохранителя в цепях трансформатора напряжения. Напряжение срабатывания реле KV1 принимается порядка 70 % Uном.

Рис. 6.6. Схема защиты минимального напряжения на постоянном оперативном токе: а — цепи переменного напряжения; б — оперативные цепи I — на отключение неответственных двигателей; II — на отключение ответственных двигателей.

Выдержка времени защиты на отключение неответственных электродвигателей отстраивается от отсечек электродвигателей и устанавливается равной 0,5—1,5 с. Выдержка времени на отключение ответственных электродвигателей принимается 10—15 с, для того чтобы защита не действовала на их отключение при снижениях напряжения, вызванных КЗ и самозапуском электродвигателей. Как показывает опыт эксплуатации, в ряде случаев самозапуск электродвигателей продолжается 20—25 с при снижении напряжения на шинах собственных нужд до 60—70 %Uном. При этом, если не принять дополнительных мер, защита минимального напряжения (реле KV1), имеющая уставку срабатывания (0,6—0,7) Uном, могла бы доработать и отключить ответственные электродвигатели. Для предотвращения этого в цепи обмотки реле времени КТ2, действующего на отключение ответственных электродвигателей, включается контакт KV2.1 четвертого реле напряжения KV2. Это минимальное реле напряжения имеет уставку срабатывания порядка (0,4—0,5) Uном и надежно возвращается во время самозапуска. Реле KV2 будет длительно держать замкнутым свой контакт только при полном снятии напряжения с шин собственных нужд. В тех случаях, когда длительность самозапуска меньше выдержки времени реле КТ2, реле KV2 не устанавливается.

В последнее время на электростанциях применяется другая схема защиты, показанная на рис. 6.7. В этой схеме используются три пусковых реле: реле напряжения обратной последовательности KV1 типа РНФ-1М и реле минимального напряжения KV2 и KV3 типа РН-54/160.

Рис. 6.7. Схема защиты минимального напряжения с реле напряжения прямой последовательности: а — цепи напряжения; б — оперативные цепи

В нормальном режиме, когда междуфазные напряжения симметричны, размыкающий контакт KV1.1 в цепи обмоток реле времени защиты КТ1 и КТ2 замкнут, а замыкающий KV1.2 в цепи сигнализации разомкнут. Размыкающие контакты реле K.V2.1 и KV3.1 при этом разомкнуты. При снижении напряжения на всех фазах контакт KV1.1 останется замкнутым и поочередно подействуют: первая ступень защиты минимального напряжения, которая осуществляется с помощью реле KV2 (уставка срабатывания 0,7Uном) и КТ1; вторая — с помощью реле KV3 (уставка срабатывания 0,5 Uном) и КТ2. В случае нарушения одной или двух фаз цепей напряжения срабатывает реле KV1, замыкающим контактом которого KV1.2 подается сигнал о неисправности цепей напряжения. При срабатывании каждой ступени защиты подается плюс на шинки ШМН1 и ШМН2 соответственно, откуда он поступает на цепи отключения электродвигателей. Действие защиты сигнализируется указательными реле КН1 и КН2, имеющими обмотки параллельного включения.

studfile.net

Виды защит электродвигателя — ElectrikTop.ru

Виды защит электродвигателя

Асинхронные электродвигатели – наиболее распространенный вид электрических машин, использующихся в приводах различного назначения. От их безаварийной работы зачастую зависит не только правильность течения технологического процесса, но и жизнь людей.

Кроме того, их цена зачастую больше или сравнима с совокупной стоимостью всего остального оборудования. По этой причине принимаются различные меры по защите асинхронных двигателей, которые обычно носят комплексный характер и предусматривают возможность возникновения всех типов аварийных ситуаций.

Что может случиться с электродвигателем

К нашему счастью, список возможных аварийных ситуаций в цепях электрического привода ограничен. Это вам не «Справочник фельдшера» объемом в несколько тысяч страниц. Вот что может случиться:

  • Нестабильность питающего напряжения и тока.
  • Дисбаланс фаз.
  • Все виды замыканий – как так называемые короткие, возникающие между фазами или между фазой и землей, а также межвитковые, уменьшающие индуктивность и сопротивление статорных обмоток двигателя.
  • Физическая перегрузка на валу.

Проблемы с качеством электропитания

Статорные обмотки асинхронного электродвигателя обладают значительной индуктивностью. Каждая из них по отдельности может рассматриваться как балластный трансформатор. По этой причине асинхронные электродвигатели в наименьшей степени зависят от качества подаваемого на них напряжения. Его снижение или увеличение на десяток вольт машиной будет просто проигнорировано, если оно произошло симметрично по всем фазам.

Наиболее проблемным является момент запуска и набора оборотов. Пусковой ток электродвигателя с короткозамкнутым ротором превышает номинальный минимум в пять раз. И чем выше мощность машины, тем это значение больше.

Дело усугубляется в том случае, если подключается нагруженный привод. Например, подъемный механизм или навозный транспортер на животноводческой ферме.

Решить проблему запуска можно двумя способами:

  1. Применить схему коммутации обмоток. В момент замыкания контактов рубильника они включены по схеме «Звезда», а после набора оборотов переключаются на «Треугольник». Снижение токовой нагрузки происходит по той причине, что на каждой обмотке первоначальное напряжение в 1,73 раза меньше – 220 вольт.
  2. Использовать автоматические выключатели с подходящей случаю времятоковой характеристикой. Например, рабочий ток асинхронного двигателя мощностью 3 кВт находится в пределах 12 ампер. Если вы поставите на входе цепи питания АВ с номиналом 16 ампер типа «С», то привод может отключаться во время запуска. Оптимальным вариантом является АВ на те же 16 ампер, но типа «В».

Короткие замыкания

Возникновение сверхтоков – они так названы потому, что в сотни и тысячи раз превышают номинальные – происходит в случае замыкания между фазой и землей (как физической, на корпус электроустановки, так и технологической нейтралью) или между фазами. Процесс этот сопровождается возникновением дуги электрического разряда и выделением большого количества тепла.

Повреждение электродвигателя

Поэтому несмотря на его явную и большую опасность, токовая защита электродвигателя решается наиболее просто – установкой плавких предохранителей или автоматических выключателей. Их номинал должен соответствовать рабочему току двигателя после набора оборотов. В цепи подачи напряжения они устанавливаются первыми.

Дисбаланс фаз

Часто не имеет явных признаков и потому более опасен. Он возникает в следующих случаях:

  • При пропадании одной из фаз в линии, подающей электропитание на всю электроустановку.
  • При отсутствии соединения в одном из элементов схемы. Например, при выгорании какой-либо клеммы в группе основных подвижных контактов магнитного пускателя или присоединительной коробке на корпусе электродвигателя.
  • При физическом обрыве одного из фазных проводников в кабеле.
  • При межвитковом замыкании в статорной обмотке.

Наиболее опасно отсутствие именно одной фазы. При этом происходит возрастание межфазного напряжения в 1,7 раза. При отсутствии двух двигатель просто останавливается, его конструктивные элементы перегрузкам не подвергаются.

Включение в сеть по схеме треугольник звезда

Если обмотки двигателя соединены треугольником, то та, что оказывается подключенной между двумя оставшимися фазами, испытывает колоссальные нагрузки, ведь ее сопротивление не превышает десятка Ом. Фактически она работает в режиме короткого замыкания, из-за чего сильно нагревается.

При соединении обмоток звездой процесс менее активен, но более опасен по той причине, что двигатель может продолжить работать, потеряв при этом мощность. И вы этого не заметите до момента полного выгорания обмоток.

Дисбаланс фаз может определить трехфазное УЗО. Через ферритовое кольцо его дифференциального трансформатора пропущены проводники трех фаз и нейтрали. В штатном режиме работы система находится в равновесном состоянии, токи в проводниках компенсируют друг друга, магнитное поле не наводится. Поэтому во вторичной обмотке движения электронов не возникает.

Стоит одной из фаз пропасть, как по нейтрали потечет ток иного направления. Возникший дисбаланс вызывает срабатывание расцепителя и отключение питания. Эта схема работает только в том случае, когда пропадает подводимое к электроустановке напряжение. При возникновении неисправностей в нагрузке УЗО остается включенным.

Виды узоНо если обмотки двигателя соединены звездой, то можно подключить нейтральный провод питающей линии к ее центру (это пластина в клеммной коробке, соединяющей три вывода). При дисбалансе фаз в нагрузке возникает ток в нейтрали. Это вызовет срабатывание защитного устройства.

Если магнитный пускатель имеет втягивающую катушку с номиналом в 380 вольт (она включается между фазами), то этот элемент схемы также может играть роль своеобразной защиты от перекоса фаз в питающей линии. Вероятность отключения привода в этом случае очень велика.

Но основным способом предотвращения аварии в этом случае является тепловая защита электродвигателя. По той причине, что он сопровождается выделением тепла – фактором, на который может среагировать автоматика. Стоит отметить, что при дисбалансе фаз двигатель еще и гудит, но защитных автоматов, реагирующих на звук, не существует.

Тепловой расцепитель, который есть в автоматических включателях на вводах, не сработает или сделает это слишком поздно. Ведь из-за большой протяженности линии тепло может рассеяться. Поэтому стало правилом устанавливать сразу после магнитного пускателя так называемое тепловое реле, с помощью которого осуществляется и защита электродвигателя от перегрузки на валу.

Тепловое релеОно состоит из трех нагревательных элементов и биметаллической пластины, которая при изменении температуры деформируется и размыкает контакты цепи управления – одного из фазных проводов, подающихся на контакты втягивающей катушки магнитного пускателя.

Номинальный ток теплового реле должен соответствовать рабочему току двигателя. Обычно он регулируется, для чего на корпус реле выводят винт потенциометра и градуированную шкалу.

Совокупная стоимость приборов защиты меньше цены электрического двигателя. И ничтожна по сравнению с возможными последствиями аварии. Поэтому не стоит пренебрегать их установкой.

electriktop.ru

Токовая и тепловая и специальная защита электродвигателей от перегрузок | ProElectrika.com

Электродвигатели как переменного, так и постоянного тока нуждаются в защите от короткого замыкания, теплового перегрева и перегрузок, вызванных аварийными ситуациями или  неисправностями в технологическом процессе, силовыми установками которых они являются. Для предупреждения подобных ситуаций промышленностью выпускаются несколько видов устройств, которые как отдельно, так и в комплексе с другими средствами, образуют блок защиты электродвигателя.

Содержание:
Способы защиты
Тепловые реле
Частотные преобразователи
Устройство плавного пуска и СиЭЗ

Способы защиты электродвигателей от перегрузок

Кроме того, в современные схемы обязательно включают элементы, которые предназначены для комплексной защиты электрооборудования в случае исчезновения напряжения одной или нескольких фаз питания. В подобных системах для исключения аварийных ситуации и минимизации ущерба при их возникновении выполняют мероприятия, предусмотренные «Правилами устройства электроустановок» (ПУЭ).

Отключение двигателя по току тепловым реле

Для исключения выхода из строя асинхронных электродвигателей, которые применяются в механизмах, машинах и прочем оборудовании, где возможно увеличение нагрузок на механическую часть двигателя в случае нарушения технологического процесса, применяют устройства защиты от тепловых перегрузок. Схема защиты от тепловых перегрузок, которая изображена на рисунке выше, включает в себя тепловое реле для электродвигателя, являющееся основным прибором, реализующим мгновенное или заданное по времени прерывание цепи питания.

Реле электродвигателя конструктивно состоит из регулируемого или заданного точно механизма задания времени, контакторов и электромагнитной катушки и теплового элемента, являющегося датчиком возникновения критических параметров. Устройства, кроме времени срабатывания, могут регулироваться по величине перегрузки, что расширяет возможности применения, особенно для тех механизмов, в которых согласно технологическому процессу возможно кратковременное увеличение нагрузки на механическую часть электродвигателя.
К недостаткам работы тепловых реле относится функция по возврату к готовности, которая реализована автоматическим самовозвратом или ручном управлении, и не дающая уверенности оператору в несанкционированном пуске электроустановки после срабатывания.

Схема пуска двигателя выполняется при помощи кнопок пуск , стоп  и электромагнитного пускателя, питанием катушки  которого они управляют, изображена на рисунке. Запуск реализуется контактами пускателя, которые замыкаются при подаче напряжения на катушку магнитного пускателя.

В данной схеме реализована токовая защита электродвигателя, эту функцию осуществляет тепловое реле, отключающее один из выводов обмотки от земли при превышении номинального тока, протекающего по всем, двум  или какой то одной фазе питания. Защитное реле отключит нагрузку и при возникновении короткого замыкания в силовых цепях на электрический двигатель. Работает тепловой защитный аппарат по принципу механического размыкания контрольных клемм вследствие нагрева соответствующих элементов.

Есть и другие устройства, предназначенные для отключения электродвигателя, в случае возникновения в силовых линиях и цепях управления токов короткого замыкания. Они бывают нескольких типов, каждый из которых производит практически мгновенное действие по разрыву без временной паузы. К такой аппаратуре относятся предохранители, электрические автоматические выключатели, а также электромагнитные реле.

Использование специальных электронных устройств

Существуют сложные средства защиты электродвигателей, которые применяются опытными инженерами при проектировании электрических систем и предназначенные для одновременного противодействия аварийным ситуациям, таким как несанкционированный пуск, работа на двух фазах, работа при пониженном или повышенном напряжении, короткое замыкание однофазное электрической цепи на землю в системах с изолированной нейтралью.

К ним относятся:

  • частотные инверторы,
  • устройства плавного пуска,
  • бесконтактные устройства.

Использование частотных преобразователей

Схема защиты электродвигателя, реализованная в составе преобразователя частоты изображенная на рисунке ниже, предусматривает аппаратными возможностями устройства противодействовать выходу из строя электродвигателя за счет автоматического снижения величины тока при пуске, остановке, коротких замыканиях. Кроме того, защита электродвигателя частотником возможна программированием отдельных функций, таких как время срабатывания тепловой защиты, которая активизируется от контроллера температуры двигателя.

 

Частотный преобразователь в составе своих функций также имеет контроль защиты радиатора и корректировку по высокому и низкому напряжению, которое может быть вызвано в сетях сторонними причинами.

К особенностям контролирования процесса эксплуатации электродвигателей в системе с частотными преобразователями относятся возможности дистанционного управления с персонального компьютера, который подключается по стандартному протоколу, и передача сигналов на вспомогательные контроллеры, обрабатывающие общие сигналы технологического процесса. Узнать больше о функциях частотных преобразователей можно из статьи про устройство и функционирование инверторных преобразователей.

Устройства плавного пуска и СиЭЗ

С удешевлением устройств, в которых применены новейшие полупроводниковые элементы, становится целесообразно использовать для защиты асинхронных электродвигателей приборы плавного пуска и системы бесконтактной защиты.

Устройства плавного пуска (или УПП) предохраняют электродвигатели от высокого пускового тока по силовым цепям, и при остановке, если в состав такой аппаратуры включены функциональные элементы, предназначенные для торможения силовых электроустановок. Подробнее об этих электронных изделиях можно узнать в этой публикации.

Одним из самых распространенных способов защиты трехфазных электродвигателей как короткозамкнутых, так и с фазным ротором, являются системы электронной бесконтактной защиты (СиЭЗ). Функциональная схема, на которой показан пример реализации устройства защиты двигателей СиЭЗ, приведена ниже.

СиЭЗ осуществляет защиту электродвигателей при обрыве любого фазного провода, увеличении тока сверх номинального, механическом заклинивании якоря (ротора) и недопустимой асимметрии по напряжению между фазами. Реализация функций возможна при использовании в схеме шунтов и трансформаторов тока L1, L2 и L3.

Кроме того, системы могут включать дополнительные опции, такие как предпусковой контроль сопротивления изоляции, дистанционные датчики температуры и защиту от понижения тока ниже номинального.

Преимущества СиЭЗ пред частотными преобразователями является непосредственное снятие данных через индукционные датчики, что исключает запаздывание срабатывания, а также сравнительно низкая стоимость при условии, что приборы имеют защитное предназначение.

proelectrika.com

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.