Способы защиты электродвигателей
Верный признак того, что с двигателем происходит что-то неладное — значительное повышение температуры корпуса. Причины перегрева могут быть разные:
- выход за пределы параметров питающего напряжения
- неправильное подключение схемы питания
- электрическая неисправность двигателя
- механическая неисправность двигателя
- перегрузка электродвигателя со стороны нагрузки
- несоответствие условий окружающей среды
Рассмотрим различные способы защиты электродвигателя от перегрева и связанного с ним понижения механической мощности.
Защита от перегрузки
Перегрузка приводит к повышению тока обмоток. Если ток превысит номинальное значение для данного двигателя и условий работы, привод начнет перегреваться.
Для защиты от перегрузки по току используют тепловые реле и автоматы защиты. Настройка защитного устройства должна проводиться в соответствии с номинальным током двигателя. Если в нормальном режиме двигатель работает на мощности ниже номинальной, уставку теплового реле или автомата защиты целесообразно понизить, измерив рабочий ток привода.
Защита от короткого замыкания
Короткое замыкание (КЗ) может произойти не только в обмотке двигателя, но также в коробке с клеммами, в питающем кабеле или пусковой схеме. По этой причине целесообразно устанавливать защиту от КЗ на вводе питания пускателя. Обычно применяют предохранители и защитные автоматы, причем трехполюсные автоматы предпочтительнее, поскольку в случае аварии они полностью отключают питание от электродвигателя — при коротком замыкании срабатывает электромагнитный расцепитель.
Выход за пределы параметров питающего напряжения
Согласно ГОСТ 28173, электродвигатели могут эксплуатироваться при отклонении напряжения ±5% или отклонении частоты ±2%. При выходе за эти диапазоны мощность двигателя окажется ниже номинальной, поскольку температура обмоток статора может быть слишком высока.
Уровень напряжения контролируется с помощью реле контроля фаз, которые могут отключать двигатель в случае выхода напряжения по любой из фаз за установленные пределы. Дополнительные функции реле – контроль обрыва, чередования и асимметрии фаз.
Существуют также специализированные реле защиты двигателя, которые могут контролировать множество других параметров – перегруз или недогруз двигателя, асимметрию токов, перегрев и др.
Особенности защиты при питании двигателя через преобразователь частоты, где напряжение и частота значительно отклоняются от номинала, будут рассмотрены ниже.
Защита от перегрева
Источник перегрева может находиться в обмотке статора, в роторе, подшипниках, в месте электрического подключения. Во всех перечисленных случаях тепловая энергия выделяется на корпусе электродвигателя. Как правило, источником нагрева является обмотка, поэтому температурные датчики обычно устанавливают около нее, в лобовой части двигателя, которая меньше всего охлаждается вентилятором обдува.
В качестве датчиков используют полупроводниковые PTC терморезисторы (термисторы или позисторы). Термисторная защита наиболее эффективна, поскольку реагирует на все возможные причины возникновения перегрева — заклинивание подшипников или нагрузки (быстрое нагревание), перегрузка, обрыв фазы или плохое охлаждение (медленное нагревание).
Стандартное сопротивление позистора при температуре +25°С должно быть не более 300 Ом. При повышении температуры до пороговой сопротивление резко возрастает до значений более 2 кОм.
Если электродвигатель расположен в ответственном месте, целесообразно установить несколько датчиков внутри него и на корпусе с целью постоянного мониторинга и быстрого реагирования на внештатные ситуации.
Для защиты от перегрева корпуса очень важно обеспечить правильную работу воздушного охлаждения. В системе охлаждения используется вентилятор обдува, крыльчатка которого насажена на вал электродвигателя. Эффективность обдува снижается с повышением температуры окружающей среды. Рабочая мощность двигателя может быть равна номинальной при температуре среды не выше 40°С.
При повышении температуры воздуха мощность на валу должна быть снижена, иначе двигатель начнет перегреваться. Так, при температуре окружающей среды +60°С мощность не должна превышать 82% от номинала.
На перегрев двигателя также влияет высота его установки над уровнем моря. Это связано с меньшей эффективностью отбора тепла воздушным потоком на больших высотах. Например, если на высотах до 1000 м рабочая мощность может быть равна номинальной, то на высоте 4000 м мощность необходимо снизить до 80%.
На большой высоте и при высокой температуре окружающей среды можно не понижать механическую мощность , если обеспечить принудительное интенсивное охлаждение. Более того, при интенсивном охлаждении и нормальных условиях работы можно добиться мощности выше номинала. В таких случаях нужно уделить особое внимание мониторингу температуры двигателя.
Защита двигателя при использовании частотного преобразователя
Преобразователь частоты – это электронное устройство, способное реализовать программно или аппаратно различные виды защиты.
Частотный преобразователь позволяет изменять скорость вращения вала. При этом изменяется не только частота питающего напряжения, но и величина напряжения. Важно правильно устанавливать рабочие точки на вольт-частотной характеристике двигателя.
В частном случае отношение напряжения к частоте является константой. Однако, исходя из принципов и задач регулирования, можно менять это отношение, изменяя форму кривой регулирования. Например, из-за понижения момента на низких частотах прибегают к увеличению минимального выходного напряжения, что, при злоупотреблении, может привести к перегреву.
При работе двигателя от частотного преобразователя, когда скорость вращения может быть гораздо меньше номинала, необходимо устанавливать принудительное независимое воздушное охлаждение.
Способы защиты устройства плавного пуска
В применении устройств плавного пуска одним из важнейших вопросов является вопрос защиты. Поломки и сбои в работе случаются с любыми устройствами, поэтому необходимо максимально обеспечить сохранность оборудования при нештатных ситуациях.
Вопрос защиты УПП можно рассматривать с двух точек зрения – со стороны двигателя и со стороны самого плавного пускателя.
Защита электродвигателя
Рассмотрим, как и от чего нужно защищать электродвигатель.
Основные проблемы, которым подвержен асинхронный двигатель — механическая перегрузка на валу и пропадание (перекос) фазы. Эти проблемы приводят к перегрузке УПП по току по двум или трем фазам. В обоих случаях, если своевременно не выключить двигатель, через короткое время он перегреется и сгорит.
Повышение нагрузки на валу может быть следствием нескольких причин:
- Неисправность нагрузки – заклинивание редуктора, ременной передачи, попадание постороннего предмета в движимые механизмы и т.д.).
- Неисправность двигателя – заклинивание или повышенное трение в подшипниках, перекос и трение ротора об статор.
При перекосе и пропадании фазы происходят явления, приводящие к повышению тока по оставшимся фазам, падению мощности двигателя и его перегреву. На этот случай в устройствах плавного пуска предусмотрена функция отключения двигателя.
Температурная защита электродвигателя
Внутри корпуса двигателя должен быть установлен термоконтакт либо термодатчик, контролирующий нагрев привода.
Термоконтакт имеет нормально замкнутые контакты, которые при повышении температуры размыкаются. Как правило, температура срабатывания составляет 90-150° и не регулируется. Схема управления УПП должна быть построена таким образом, чтобы при срабатывании термоконтакта отключалось питание.
Термодатчик меняет свое сопротивление пропорционально температуре корпуса двигателя. В моделях УПП и преобразователей частоты с большим функционалом имеется аналоговый вход для подключения термодатчика, позволяющего непрерывно мониторить температурный режим. При установленном пороге сначала срабатывает предупреждение о перегреве, затем двигатель отключается.
Необходимо помнить, что термозащита двигателя является вторичной (дублирующей), поскольку для разогрева корпуса двигателя требуется некоторое время. Первичной должна быть защита от превышения тока и короткого замыкания, которая отключает двигатель гораздо быстрее. Подробнее об этом будет сказано ниже.
Защита УПП от проблем со стороны двигателя
В устройствах плавного пуска встречается несколько видов защит:
- Защита при обрыве выходной фазы. В этом случае на входе УПП имеются все три питающие фазы, а на участке от выходной клеммы до обмотки двигателя фаза по какой-то причине оборвана. Стандартное значение защиты – менее 3 с.
- Защита при перекосе фаз. Срабатывает при перекосе (отличии) фаз более чем на 50%.
- Защита от превышения тока при запуске. Запуск – наиболее «тяжелый» период в работе электродвигателя. По этой причине во всех устройствах плавного пуска ограничено количество запусков в течение часа. При большом количестве пусков производители рекомендуют ставить радиатор или выбирать УПП с большей мощностью. Ток при запуске ограничивается, в результате при тяжелых пусках или неправильно выставленном ограничении двигатель может не разогнаться до включения байпаса, либо УПП выдаст ошибку.
- Защита от перегрузки во время работы. После разгона включается контактор байпаса, и ток на выходе может достигать максимальных значений. Однако он непрерывно измеряется через трансформаторы тока и УПП отключается при достижении установленного значения. Именно эта защита в основном спасает двигатель от перегрузки по току.
- Защита от короткого замыкания на выходе. Если в двигателе или кабельной линии произошло замыкание, ток повышается до максимально возможного значения, поэтому время выключения УПП должно быть минимальным. Как правило, оно составляет несколько миллисекунд.
Уровень и время срабатывания защит могут быть как фиксированными, так и с возможностью установки пользователем.
Когда срабатывает та или иная защита, пользователю выводится информация об ошибке. После устранения причин и сброса ошибки возможен автоматический (в моделях с повышенным функционалом), либо ручной перезапуск.
Защита УПП от собственных проблем и от проблем со стороны питания
Даже при нормально работающем двигателе могут возникать ситуации, способные вывести из строя устройство плавного пуска. Чтобы избежать подобных неприятностей, пускатели могут оснащаться опциями собственной защиты:
- Защита при обрыве фазы питания.
- Защита при перекосе фаз на входе.
- Защита при повышении/понижении входного напряжения. Уровни напряжения, как правило, фиксированные.
- Защита от перегрева корпуса УПП. Перегрев может возникнуть из-за повышения температуры внутри электрошкафа, из-за неисправности вентилятора или частых пусков. В случае, если температура будет выше критической, УПП выдаст ошибку.
Внешняя защита УПП
Наличие встроенной защиты не избавляет от необходимости дополнительных мер безопасности на входе УПП. Стандартный вид входной защиты, который рекомендуют все производители – автоматический выключатель. Значение его тока выбирается таким образом, чтобы выключатель надежно срабатывал при перегрузке и коротком замыкании.
В некоторых дешевых моделях УПП отсутствует защита по перегрузке на выходе. В этом случае кроме автоматического выключателя на входе необходимо устанавливать тепловое реле на выходе УПП. Ток реле нужно выставить согласно общим рекомендациям по защите двигателя, а его контакты завести в аварийную цепь либо в цепь останова УПП.
Вместо автоматического выключателя и теплового реле также можно использовать мотор-автомат с плавной регулировкой тока срабатывания, который защитит и от короткого замыкания, и от перегрузки по току.
Стандартная схема включения устройства плавного пуска с защитами приведена ниже.
Автоматический выключатель QF защищает от короткого замыкания и перегрузки по току. Трансформаторы тока Т1, Т2, Т3 на выходе измеряют ток и служат датчиками для правильной работы остальных защит. Выходные контакты 5, 6 замыкаются в случае срабатывания защиты и сигнал об аварии поступает на контроллер или иное устройство.
Заключение
Не стоит забывать, что чрезмерная забота о защите УПП и двигателя может привести к неприятностям с другой стороны, а именно к ложным срабатываниям защиты. В некоторых технологических процессах это может стать причиной простоев и значительных убытков, поэтому установка оптимальной защиты требует большой подготовки, тщательных расчетов, измерений, экспериментальных пусков и проверок.
Токовые перегрузки и их влияние на работу и срок службы электродвигателей
Анализ повреждений асинхронных двигателей показывает, что основной причиной их выхода из строя является разрушение изоляции из-за перегрева.
Перегрузка электротехнического изделия (устройства) — превышение фактического значения мощности или тока электротехнического изделия (устройства) над номинальным значением. (ГОСТ 18311-80).
Температура нагрева обмоток электродви гателя зависит от теплотехнических характеристик двигателя и параметров окружающей среды. Часть выделяемого в двигателе тепла идет на нагрев обмоток, а остальное отдается в окружающую среду. На процесс нагрева влияют такие физические параметры, как теплоемкость и теплоотдача .
В зависимости от теплового состояния электродвигателя и окружающего воздуха степень их влияния может быть различной. Если разность температур двигателя и окружающей среды невелика, а выделяемая энергия значительна, то ее основная часть поглощается обмоткой, сталью статора и ротора, корпусом двигателя и другими его частями. Происходит интенсивный рост температуры изоляции . По мере нагрева все больше проявляется влияние теплоотдачи. Процесс устанавливается после достижения равновесия между выделяемым теплом и теплом, отдаваемым в окружающую среду.
Повышение тока сверх допустимого значения не сразу приводит к аварийному состоянию . Требуется некоторое время, прежде чем статор и ротор нагреются до предельной температуры. Поэтому нет необходимости в том, чтобы защита реагировала на каждое превышение тока. Она должна отключать машину только в тех случаях, когда возникает опасность быстрого износа изоляции.
С точки зрения нагрева изоляции большое значение имеют величина и длительность протекания токов, превышающих номинальное значение. Эти параметры зависят прежде всего от характера технологического процесса.
Перегрузки электродвигателя технологического происхождения
Перегрузки электродвигателя, вызванные периодическим увеличением момента на валу рабочей машины. В таких станках и установках мощность электродвигателя все время изменяется. Трудно заметить сколько-нибудь длительный промежуток времени, в течение которого ток оставался бы неизменным по величине. На валу двигателя периодически возникают кратковременные большие моменты сопротивления, создающие броски тока.
Такие перегрузки обычно не вызывают перегрева обмоток электродвигателя, имеющих сравнительно большую тепловую инерцию. Однако при достаточно большой длительности и неоднократной повторности создается опасный нагрев электродвигателя. Защита должна «различать» эти режимы. Она не должна реагировать на кратковременные толчки нагрузки.
В других машинах могут возникать сравнительно небольшие, но длительные перегрузки. Обмотки электродвигателя постепенно нагреваются до температуры, близкой к предельно допустимому значению. Обычно электродвигатель имеет некоторый запас по нагреву, и небольшие превышения тока, несмотря на продолжительность действия, не могут создать опасной ситуации. В этом случае отключение не обязательно. Таким образом, и здесь защита электродвигателя должна «различать» опасную перегрузку от неопасной.
Аварийные перегрузки электродвигателя
Кроме перегрузок технологического происхождения , могут быть аварийные перегрузки , возникающие по другим причинам (авария в питающей линии, заклинивание рабочих органов, снижение напряжения и др.). Они создают своеобразные режимы работы асинхронного двигателя и выдвигают свои требования к средствам защиты . Рассмотрим поведение асинхронного двигателя в характерных аварийных режимах.
Перегрузки при длительном режиме работы с постоянной нагрузкой
Обычно электродвигатели выбирают с некоторым запасом по мощности. Кроме того, большую часть времени машины работают с недогрузкой. В результате ток двигателя часто значительно ниже номинального значения. Перегрузки возникают, как правило, при нарушениях технологии, поломках, заедании и заклинивании в рабочей машине.
Такие машины, как вентиляторы, центробежные насосы, ленточные и шнековые транспортеры, имеют спокойную постоянную или слабо изменяющуюся нагрузку. Кратковременные изменения подачи материала практически не влияют на нагрев электродвигателя. Их можно не принимать во внимание. Иное дело, если нарушения нормальных условий работы остаются на длительное время.
Большинство электроприводов имеет определенный запас мощности. Механические перегрузки прежде всего вызывают поломки деталей машины. Однако, принимая во внимание случайный характер их возникновения, нельзя быть уверенным, что при определенных обстоятельствах окажется перегруженным и электродвигатель. Например, это может случиться с двигателями шнековых транспортеров. Изменение физико-механических свойств транспортируемого материала (влажность, крупность частиц и т. д.) немедленно отражается на мощности, требуемой на его перемещение. Защита должна отключать электродвигатель при возникновении перегрузок, вызывающих опасный перегрев обмоток.
С точки зрения влияния длительных превышений тока на изоляцию следует различать два вида перегрузок по величине: сравнительно небольшие (до 50%) и большие (более 50%).
Действие первых проявляется не сразу, а постепенно, в то время как последствия вторых проявляются через короткое время. Если превышение температуры над допустимым значением невелико, то старение изоляции происходит медленно. Небольшие изменения в структуре изолирующего материала накапливаются постепенно. По мере возрастания температуры процесс старения значительно ускоряется.
Считают, что перегрев сверх допустимого на каждые 8 — 10°С сокращает срок службы изоляции обмоток электродвигателя в два раза. Таким образом, перегрев на 40°С сокращает срок службы изоляции в 32 раза! Хоть это и много, но обнаруживается оно после многих месяцев эксплуатации.
При больших перегрузках (более 50%) изоляция быстро разрушается под действием высокой температуры.
Для анализа процесса нагрева воспользуемся упрощенной моделью двигателя. Повышение тока вызывает увеличение переменных потерь. Обмотка начинает нагреваться. Температура изоляции изменяется в соответствии с графиком на рисунке. Величина установившегося превышения температуры зависит от величины тока.
Через некоторое время после возникновения перегрузки температура обмоток достигает допустимого для данного класса изоляции значения. При больших перегрузках оно будет короче, при малых — длиннее. Таким образом, каждому значению перегрузки будет соответствовать свое допустимое время, которое можно считать безопасным для изоляции.
Зависимость допустимой длительности перегрузки от ее величины называется перегрузочной характеристикой электродвигателя . Теплофизические свойства электродвигателей разных типов имеют некоторые отличия, также отличаются и их характеристики. На рисунке сплошной линией показана одна из таких характеристик.
Перегрузочная характеристика электродвигателя (сплошная линия) и желаемая характеристика защиты (пунктирная линия)
Из приведенной характеристики можно сформулировать одно из основных требований к защите перегрузок, действующей в зависимости от тока. Она должна срабатывать в зависимости от величины перегрузки. Э дает возможность исключить ложные срабатывания при неопасных бросках тока, возникающие, например, при пуске двигателя. Защита должна срабатывать только при попадании в область недопустимых значений тока и длительности его протекания. Ее желаемая характеристика, показанная на рисунке пунктирной линией, должна всегда располагаться под перегрузочной характеристикой двигателя.
На работу защиты влияет ряд факторов (неточность настройки, разброс параметров и др.), в результате действия которых наблюдаются отклонения от средних значений времени срабатывания. Поэтому пунктирную кривую на графике следует рассматривать как некую среднюю характеристику. Для того чтобы в результате действия случайных факторов характеристики не пересеклись, что вызовет неправильное отключение двигателя, необходимо обеспечить определенный запас. Фактически приходится иметь дело не с отдельной характеристикой, а с защитной зоной, учитывающей разброс времени срабатывания защиты.
С точки зрения точного действия защиты электродвигателя желательно, чтобы обе характеристики были по возможности близки одна к другой. Это позволит избежать ненужное отключение при перегрузках, близких к допустимым. Однако при наличии большого разброса обеих характеристик достигнуть этого невозможно. Для того чтобы не попасть в зону недопустимых значений тока при случайных отклонениях от расчетных параметров, необходимо обеспечить определенный запас.
Характеристика защиты должна располагаться на некотором расстоянии от перегрузочной характеристики двигателя, чтобы исключить их взаимное пересечение. Но при этом получается проигрыш в точности действия защиты электродвигателя.
В области токов, близких к номинальному значению, появляется зона неопределенности. При попадании в эту зону нельзя точно сказать, сработает защита или нет.
Такой недостаток отсутствует у защиты, действующей в функции температуры обмоток. В отличие от токовой защиты она действует в зависимости от причины, вызывающей старение изоляции, ее нагрева. При достижении опасной для обмотки температуры она отключает двигатель независимо от причины, вызвавшей нагрев. Это — одно из главных достоинств температурной защиты .
Однако не следует преувеличивать недостаток токовой защиты. Дело в том, что двигатели имеют определенный запас по току. Номинальный ток электродвигателя всегда ниже того тока, при котором температура обмоток достигает допустимого значения. Его устанавливают, руководствуясь экономическими расчетами. Поэтому при номинальной нагрузке температура обмоток двигателя ниже допустимого значения. За счет этого и создается тепловой резерв двигателя, который в определенной степени компенсирует недостаток тепловых реле.
Многие факторы, от которых зависит тепловое состояние изоляции, имеют случайные отклонения. В связи с этим уточнения характеристик не всегда дают желаемый результат.
Перегрузки при переменном длительном режиме работы
Некоторые рабочие органы и механизмы создают нагрузку, изменяющуюся в больших пределах, как, например, в машинах для дробления, измельчения и других аналогичных операций. Здесь периодические перегрузки сопровождаются недогрузками вплоть до работы на холостом ходу. Каждое увеличение тока, взятое в отдельности, не приводит к опасному росту температуры. Однако, если их много и они повторяются достаточно часто, действие повышенной температуры на изоляцию быстро накапливается.
Процесс нагрева электродвигателя при переменной нагрузке отличается от процесса нагрева при постоянной или слабо выраженной переменной нагрузке. Различие проявляется как в ходе изменения температуры, так и в характере нагрева отдельных частей машины.
Вслед за изменениями нагрузки изменяется и температура обмоток. Из-за тепловой инерции двигателя колебания температуры имеют меньший размах. При достаточно высокой частоте нагрузки температуру обмоток можно считать практически неизменяющейся. Такой режим работы будет эквивалентен длительному режиму с постоянной нагрузкой. При низкой частоте (порядка сотых долей герца и ниже) колебания температуры становятся ощутимыми. Периодические перегревы обмотки могут сократить срок службы изоляции.
При больших колебаниях нагрузки с низкой частотой электродвигатель постоянно находится в переходном процессе. Температура его обмотки изменяется вслед за колебаниями нагрузки. Так как отдельные части машины имеют разные теплофизические параметры, то каждая из них нагревается посвоему.
Протекание тепловых переходных процессов при изменяющейся нагрузке — явление сложное и не всегда поддается расчету. Поэтому о температуре обмоток двигателя нельзя судить по току, протекающему в данный момент времени. Ввиду того, что отдельные части электродвигателя нагреваются по-разному, внутри электродвигателя происходят перетоки тепла из одной ее части в другие. Может быть и так, что после отключения электродвигателя температура обмоток статора будет расти за счет тепла, поступающего от ротора. Таким образом, величина тока может и не отражать степень нагрева изоляции. Следует также принять во внимание, что при некоторых режимах ротор будет нагреваться более интенсивно, а охлаждаться менее интенсивно, чем статор.
Сложность процессов теплообмена затрудняет контроль нагрева электродвигателя . Даже непосредственное измерение температуры обмоток может при некоторых условиях дать погрешность. Дело в том, что при неустановившихся тепловых процессах температура нагрева различных частей машины может быть разной и измерение в одной точке не может дать истинной картины. Тем не менее по сравнению с другими методами измерение температуры обмотки дает более точный результат.
Повторно-кратковременный режим работы можно отнести к наиболее неблагоприятному с точки зрения действия защиты. Периодическое включение в работу предполагает возможность кратковременной перегрузки двигателя. При этом величина перегрузки должна быть ограничена по условию нагрева обмоток не выше допустимого значения.
Защита, «следящая» за состоянием нагрева обмотки, должна получать соответствующий сигнал. Так как в переходных режимах ток и температура могут не соответствовать друг другу, то защита, действие которой основано на измерении тока, не может выполнять свою роль должным образом.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Защита электродвигателя от перегрузок
Главная причина выхода электродвигателей из строя – повреждение обмоток. При значительном избыточном нагреве, изоляционный лак разрушается, что приводит к межвитковым замыканиям.
При этом нагрев, который возникает при пуске или кратковременной перегрузке двигателя, является нормальным технологическим режимом, избыточное тепло поглощается узлами и деталями двигателя.
Аварийный режим работы – нагрев обмоток электрической машины до недопустимой температуры, вызванный повышенным током. Основные причины его возникновения:
- Длительная технологическая перегрузка.
- Механическое заклинивание вала по различным причинам.
- Неисправности, износ двигателя.
- Короткие замыкания в цепи обмоток.
Аварийные режимы можно разделить на 2 группы: короткие замыкания и перегрузки по току. В первом случае возникают сверхтоки, многократно превышающие номинальные значения. Значительный перегрев вызывает быстрое разрушение изоляционного лака и короткие замыкания в обмотке.
При перегрузках по обмоткам течет ток выше номинального, вызывающий избыточный нагрев, при этом двигатель может работать довольно долго. Повышенная температура приводит к укоренному старению изоляции. Так, нагрев на 100°С выше допустимого приводит к двукратному уменьшению срока службы изоляции.
Для предотвращения таких режимов применяют аппараты защиты. Рассмотрим различные виды защит и особенности из выбора.
Виды защит двигателя и принцип их действия
Защитные электроаппараты и устройства позволяют предупредить возникновение аварийного режима и отключить двигатель до выхода его из строя. Основные требования к защите: своевременное четкое срабатывание при возникновении недопустимого превышения тока или недопустимого нагрева обмоток и отсутствие ложных срабатываний при пуске, допустимой кратковременной технологической перегрузки.
Основные виды защит:
- От коротких замыканий. Для этого применяют автоматические выключатели с электромагнитным расцепителем, электромеханические и электронные реле, предохранители с плавкими вставками. Такая защита должна срабатывать мгновенно.
- От перегрузки по току. Аппаратная реализация защиты осуществляется при помощи автоматов с тепловым расцепителем, температурных реле различных типов. Защита срабатывает при длительном протекании повышенного тока определенное время. Выдержку выбирают в зависимости от величины тока перегрузки.
- От снижения напряжения, пропадания одной из фаз. При уменьшении напряжения на обмотках двигателя, работающего под нагрузкой, ток на обмотках возрастет. Для защиты встраивают тепловые сенсоры в обмотки, реле.
- От тепловых перегрузок. Для этого применяют биметаллические реле. Чувствительный элемент изгибается под влиянием высокой температуры, замыкает или размыкает контакт реле, которое вырабатывает сигнал на отключение двигателя. Устройство срабатывает с выдержкой времени, что требуется при тяжелом пуске, возможных технологических перегрузках.
Для защиты от аварийных режимов также используют специализированные электронные устройства на базе микропроцессоров, функции аварийного отключения также поддерживают преобразователи частоты, УПП.
Выбор защиты для электродвигателя
Защиты для двигателей выбирают в зависимости от мощности, условий и режимов работы, наличию или отсутствию электротехнического персонала, особенностей нагрузки и других факторов.
Максимальная токовая защита от сверхтоков коротких замыканий требуется всем электроприводам.
Для приводов ответственного оборудования, а также установок, работающих в сложных условиях, при динамических нагрузках требуется защита предохранителем или автоматическим выключателем, встроенным тепловым выключателем.
Электроприводы мощностью до 1,1 кВт, работающие при постоянном присутствии квалифицированного персонала, защищают тепловыми реле и предохранителями.
Тепловая и токовая защита двигателей более 1,1 кВт, работающих в отсутствии электротехнического персонала, дополнительно комплектуется фоточувствительным устройством.
Выбор защит осуществляется на основании анализа условий электросети, режимов работы двигателей, особенностей нагрузки и характеристик защитных аппаратов.
Предохранители для электродвигателей
Предохранители предназначены для защиты от сверхтоков, возникающих в цепи обмоток при коротких замыканиях. Чувствительный элемент аппарата – плавкая вставка. При прохождении токов большой величины, она разрушается. Цепь питания размыкается, двигатель останавливается.
Аппараты выбирают таким образом, чтобы величина номинального тока вставки равнялась току, потребляемому двигателем в нормальном режиме, или немного его превышала. При этом предохранитель не должен реагировать на пуск двигателя, а наибольшее значения тока в цепи не должно превышать перегрузочную способность пускателя и тепловых реле.
Точка пересечения время-токовой характеристики плавкой вставки должна находиться до точки выхода из строя теплового реле и точки сваривания контактов коммутационных аппаратов.
Автоматические выключатели для электродвигателей
Автоматические выключатели применяют в схемах максимальной токовой защиты и защиты от перегрузок. Выпускают аппараты с электромагнитным и тепловым расцепителем и только с электромагнитным расцепителем. Последние реагируют только на ток короткого замыкания. Аппараты с тепловым и электромагнитным расцепителем обеспечивают защиту от сверхтоков и перегрузок.
Для защиты электродвигателей применяют автоматы с характеристиками С и D. Аппараты С применяют для приводов со нормальными и средне-тяжелыми условиями пуска. Устройства мгновенно срабатывают при возникновении сверхтоков. При 5-кратном увеличении величины, устройства отключают двигатель с выдержкой времени. Таким образом, автоматический выключатель не реагирует на кратковременные скачки тока при пуске.
Автоматы с характеристикой С используют для защиты двигателей с тяжелыми и особо тяжелыми условиями пуска. Устройства срабатывают при 10-кратном превышении тока с выдержкой времени на переходной процесс, что соответствует тяжелым условиям пуска.
Тепловые реле и датчики для электродвигателя
Тепловые реле применяют для защиты двигателей от перегрузок по току. При длительном превышении его номинального значения, устройства размыкают цепь питания контактора и отключают двигатель. При выборе тепловых реле учитывают:
- Номинальный ток и напряжение аппарата.
- Диапазон токовых уставок.
- Класс расцепления по ГОСТ Р 50030.4.1-2012.
Тепловые реле применяют для приводов, работающих в продолжительном режиме и при небольших перегрузках.
Для температурной защиты, независимо от причин перегрева двигателей, применяют полупроводниковые или биметаллические сенсоры. Датчики монтируют в обмотку или располагают рядом с подверженными нагреву частями электродвигателей. Устройства замкнуты на реле, которое реагирует на сигнал с сенсоров размыканием силовой цепи.
Такая защита обеспечивает аварийное отключение как при обрыве фазы, перегрузках на валу, таки и при поломках подшипников и механическом заклинивании.
Электронные устройства для защиты электродвигателей
Выпускают также устройства для комплексной защиты двигателей, например, УЗД или УДЗР. Аппараты позволяют реализовать максимальную токовую, тепловую, а также защиту от перегрузок, осуществлять управление двигателем.
Устройства также защищают:
- От обрыва и «слипания», неверного порядка чередования фаз.
- От несимметричной нагрузки.
- От снижения и увеличения напряжения до недопустимых величин.
- От утечек тока в результате повреждения изоляции.
Устройства также обеспечивают индикацию кода причины аварийного отключения. Параметры срабатывания можно настраивать в зависимости от требований к защите электродвигателя.
Защита приводов с частотным преобразователем
Входную цепь частотно-регулируемых приводов защищают плавкими предохранителями. Для аварийного отключения двигателя в частотных преобразователях предусмотрена встроенная защита. Однако, при коротких замыканиях в цепи нагрузки, величина тока возрастает мгновенно, защита не успевает отключить цепь до повреждения IGBT-транзисторов.
Чаще всего такое бывает при коротком кабеле «преобразователь-двигатель». Индуктивность проводника слишком мала, чтобы уменьшить скорость нарастания тока, в результате встроенная защита не успевает сработать.
Проблема решается установкой выходного фильтра du/dt. Устройство значительно снижает время нарастания тока, в результате чего защита успевает сработать.
Выбор защиты определяется техническими требованиями к приводу, экономической целесообразностью. Для двигателей простого оборудования достаточно защиты от коротких замыканий и перегрузок, для ответственных электроприводов устанавливают устройства комплексной защиты.