Современные стандарты большинства стран мира, включая и Россию, предъявляют всё более высокие требования к безопасной эксплуатации асинхронных электродвигателей (далее по тексту АД). Высокие показатели надежности и долговечности АД возможны только при условии их работы при номинальных или близких к ним режимах, что можно обеспечить лишь установкой надлежащей защиты.

Все перечисленные в первой части статьи Михаила Давидовича Соркинда защитные устройства («Новости Электротехники» №2(32) 2005), служат для быстрого, в течение долей секунды, определения характера и степени повреждения двигателя, локализации аварийного участка путем отключения его от остальной схемы электроснабжения. Вместе с тем каждое из них имеет и целый ряд существенных недостатков, влияющих на качество их работы: одни отличаются неоправданной избирательностью, у других отсутствует отстройка от процесса пуска, третьи не реагируют на токи КЗ или перегрузки и т. д. Для того чтобы правильно выбрать защитное устройство, необходимо знать, как и от каких аварий защищает конкретный прибор, принцип его действия и конструктивные особенности.

Асинхронные электродвигатели 0,4 кВ

Способы защиты от аварийных режимов

Михаил Соркинд, ООО «Новатек-Электро», г. Санкт-Петербург

защитные устройства, реагирующие на ток

Предохранители

Предохранители предназначены для защиты электрических сетей от перегрузок и коротких замыканий [1]. Конструктивно они состоят из корпуса из электроизоляционного материала и плавкой вставки, выбираемой из такого расчета, чтобы она плавилась прежде чем температура двигателя достигнет опасных пределов в результате протекания токов перегрузки или КЗ.

Основной характеристикой плавкой вставки является зависимость времени ее перегорания от тока (рис. 1). Здесь I_ном – номинальный ток плавкой вставки, при котором она работает длительно, не нагреваясь выше допустимой температуры; I_min – наименьший ток, расплавляющий вставку в течение длительного времени (1–2 ч); I₁₀ – ток, при котором расплавление вставки и отключение сети происходит через 10 с после установления тока. Токи плавкой вставки связаны соотношением

I_ном = I₁₀ / 2,5.     (1)

При графическом изображении времятоковой характеристики плавких предохранителей, по оси абсцисс иногда откладывают не абсолютное значение тока, а его кратность относительно номинального (рис. 2).

Рис.1 Зависимость времени перегорания плавкой вставки от тока

Рис.2 Зависимость времени перегорания плавкой вставки от тока в относительных единицах

При защите короткозамкнутых АД следует учитывать, что пусковой ток двигателя в 5–7 раз больше номинального, а время пуска электродвигателя может достигать десяти секунд [2]. Номинальный ток плавкой вставки с учетом пускового тока определяется по формуле:

I_ном = k_n • I_n / a,     (2)

где k_n – кратность пускового тока электродвигателя по отношению к номинальному;
I_n – номинальный ток электродвигателя, А;
a – коэффициент, зависящий от условий пуска электродвигателя.

Для двигателей с нормальными условиями пуска (редкие пуски с временем разгона 5–10 с) a = 2,5; для двигателей с тяжелыми условиями пуска (частые пуски и большая длительность разгона) a = 1,6–2.

Как следует из формулы (2), предохранители способны защитить АД только от токов КЗ, в 10 и более раз превышающих номинальные токи. Токи же перегрузки или другие токовые аварии они будут воспринимать как пусковые токи, не реагируя на них. В лучшем случае предохранители способны отключить электродвигатель только через несколько минут, что может привести к перегреву обмоток и к повреждению АД. Поэтому для защиты АД от КЗ в нем самом или в подводящем кабеле используют предохранители типа аМ с более пологой времятоковой характеристикой [2]. Они способныны выдерживать, не расплавляясь, токи, в 5–10 раз превышающие номинальные, в течение 10 с, что вполне достаточно для запуска двигателя. Для защиты от перегрузки необходимо использовать другие устройства.

Предохранители абсолютно не защищают от аварий, связанных с авариями сетевого напряжения, с нарушением режимов работы АД или перегрузкой, а также от режима холостого хода двигателя. В то же время при однофазном КЗ они, как правило, отключают только одну фазу, что приводит к аварийному режиму работы на двух фазах.

Автоматические выключатели

Автоматические выключатели (автоматы) предназначены для включения и отключения асинхронных электродвигателей и других приемников электроэнергии, а также для защиты их от токов перегрузки и КЗ [3].

Автоматы обеспечивают одновременное отключение всех трех фаз в случае возникновения аварийных ситуаций. В рабочем режиме включение и отключение производится вручную; в аварийном режиме они отключаются автоматически электромагнитным или тепловым расцепителем.

Важной составной частью автомата является расцепитель, который контролирует заданный параметр защищаемой сети и воздействует на расцепляющее устройство, отключающее автомат. Наибольшее распространение получили расцепители следующих типов:

• электромагнитные для защиты от токов КЗ;
• тепловые для защиты от перегрузок;
• комбинированные.

Электромагнитный расцепитель состоит из катушки с подвижным сердечником и возвратной пружины. При протекании по катушке тока КЗ сердечник мгновенно втягивается и воздействует на отключающую рейку механизма свободного расцепления.

Тепловой расцепитель представляет собой биметаллическую пластину, соединенную последовательно с контактом. При нагревании ее током перегрузки она изгибается и воздействует на отключающую рейку механизма свободного расцепления.

Выбор автоматических выключателей производится по номинальному току, характеристике срабатывания, отключающей способности, условиям монтажа и эксплуатации. Правильный выбор характеристики автоматического выключателя является залогом его своевременного срабатывания.

Рис.3 Характеристики автоматических выключателей: t – время срабатывания электромагнитного расцепителя, с-мин; K = I / Iн кратность тока к номинальному значению

В соответствии со стандартами IEC 898 (стандарт международной электротехнической комиссии) и EN 60898 (европейская норма) по характеристикам срабатывания выключатели бывают трех типов: B, C, D (рис. 3).

Тип B – величина тока срабатывания магнитного расцепителя равна I_в = K•I_ном при K = 3–6. Для бытового применения, где ток нагрузки невысокий и ток КЗ может попасть в зону работы теплового, а не электромагнитного расцепителя.

Тип C – величина тока срабатывания магнитного расцепителя I_с = K•I_ном при K = 5–10. Для бытового и промышленного применения: для двигателей с временем пуска до 1 с, нагрузок с малыми индуктивными токами (холодильных машин и кондиционеров).

Тип D – величина тока срабатывания магнитного расцепителя I_d = K•I_ном более 10I_ном. Применяется для мощных двигателей с затяжным временем пуска.

Для выбора автоматического выключателя по отключающей способности необходимо выполнить расчет ожидаемого тока КЗ.

Тепловые расцепители, используемые в автоматических выключателях, чувствительны к нагреву от посторонних источников. В практике нередко случается, что расцепитель промежуточного полюса при номинальном режиме отключается только из-за нагрева соседних полюсов. Это приводит к ограничению области его работы и к коррекции номинального тока с учетом графика (рис. 4).

Рис. 4 Нагрузочная способность автоматических выключателей при их размещении рядом.

Нагрузочная характеристика большинства автоматических выключателей зависит от температуры окружающей среды: при ее снижении коэффициент нагрузки увеличивается, при повышении – падает (рис. 5). Это ограничивает возможность их использования в условиях жесткого температурного режима эксплуатации, особенно в горячих цехах или на открытом воздухе.

Рис. 5 Нагрузочная способность автоматических выключателей при их размещении рядом.

Для обеспечения контроля за другими видами аварий автоматические выключатели снабжают целым рядом дополнительных устройств. Расцепитель минимального напряжения отключает автомат при недопустимом снижении напряжения, ниже 0,7U_ном.

Независимый расцепитель предназначен для дистанционного отключения автоматического выключателя. Расцепитель токов утечки на землю обеспечивает непрерывный контроль за состоянием изоляции установки, защиту от опасности возгорания или взрыва.

Специально для защиты электродвигателей были разработаны так называемые мотор-автоматы. В отличие от стандартного автомата, мотор-автоматы имеют целый ряд особенностей:

• номинальный ток электромагнитного расцепителя составляет 12–14I_нр, что соответствует режиму работы на индуктивную нагрузку (AC-3);
• высокую электродинамическую стойкость до 100 кА;
• рычаг или кнопки управления электроприводом на корпусе;
• встроенные или навесные быстромонтируемые дополнительные контакты, срабатывающие при перегрузках или КЗ.

Универсальные автоматические выключатели

Разнесение функций защитных устройств на несколько независимых устройств создает массу неудобств при монтаже и эксплуатации. Каждое из них не обладает универсальностью и подходит только к конкретному автоматическому выключателю. Поэтому перед разработчиками остро встала проблема создания универсального устройства.

Последние поколения автоматических выключателей снабжены т. наз. электронными расцепителями, осуществляющими комплексную защиту электродвигателя и объединяющими в одном устройстве функции всех вышеперечисленных расцепителей [4]. Они выполнены на базе микропроцессорной техники, гарантируют высокую точность срабатывания, надежность и устойчивость к температурным режимам. Электропитание, необходимое для правильной работы, обеспечивается непосредственно трансформаторами тока расцепителя.

Защитные расцепители состоят из трех или четырех трансформаторов тока (в зависимости от типа сети), электронного блока и механизма расцепления, который воздействует непосредственно на механизм выключателя. Для управления магнитным пускателем дополнительно потребуется вспомогательный блок управления, позволяющий управлять контактором в случае аварии (за исключением КЗ).

С помощью DIP-переключателей, размещенных на передней панели устройства, или с помощью специального электронного блока настройки программируется определенный набор параметров и функций расцепителя. Кривая срабатывания выключателя, максимально приближенная к рабочей характеристике АД (рис. 6), определяет следующие параметры:

• функция L – защита от перегрузки с обратнозависимой выдержкой по времени и характеристикой срабатывания согласно обратнозависимой кривой (I²•t = Const);
• функция R – защита от заклинивания ротора с определенным временем задержки срабатывания;
• функция I – защита от короткого замыкания с мгновенным срабатыванием;
• функция U – защита от перекоса или обрыва фазы с определенным временем задержки срабатывания.

Рис. 6 Типовая рабочая характеристика АД, совмещенная с кривой срабатывания электронного расцепителя
Класс – это класс пуска электродвигателя, определяющий время срабатывания для защиты от перегрузки согласно стандарту IEC 60947-4-14.7.3.

• I₁ – порог срабатывания по току для функции L;
• I₃ – порог срабатывания по току для функции I;
• I₅ – порог срабатывания по току для функции R;
• t₅ – порог срабатывания по времени для функции R;
• I₆ – порог срабатывания по току для функции U;
• t₆ – порог срабатывания по времени для функции U;
• I_e – номинальный рабочий ток электродвигателя;
• I_a – пусковой ток электродвигателя;
• I_p– пиковое значение пускового тока;
• t_a – время пуска электродвигателя;
• t_p – время нарастания пускового тока до I_p;
• m– типовая кривая пуска электродвигателя;
• с– пример кривой срабатывания автоматического выключателя с электронным расцепителем

Автоматические выключатели, оснащенные электронными расцепителями, обеспечивают достаточную защиту двигателя от перегрузки при работе в нормальном режиме с малым количеством включений, недолгими запусками и умеренными пусковыми токами. Режим тепловой памяти, позволяющий вычислять температуру двигателя при отключении, возможен только при наличии дополнительного источника питания.

Эти выключатели совершенно неэффективны при работе в старт-стопном режиме (> 60 вкл./ч) и при тяжелом запуске. Если тепловые постоянные времени электродвигателя и электронного расцепителя не совпадают, то при настройке на номинальный ток двигателя автоматический выключатель может сработать слишком рано или не распознать режим перегрузки. Ограничение рабочих циклов автоматического выключателя (количества В-О) влечет за собой использование в таких схемах контактора, имеющего большее количество циклов коммутации и лучшую коммутирующую способность. Но для подключения к нему расцепителя потребуется вспомогательный блок управления. Дополнительные (вспомогательные) устройства необходимы также для настройки и тестирования блока, что приводит к значительному удорожанию устройства и усложнению режима его эксплуатации.

Тепловые защитные устройства

Тепловые реле (расцепители)

Тепловые реле применяются для защиты электродвигателей от перегрузок недопустимой продолжительности, а также от обрыва одной из фаз.

Конструктивно представляют собой набор биметаллических расцепителей (по одному на каждую фазу), по которым протекает ток электродвигателя, оказывающий тепловое действие. Под действием тепла происходит изгиб биметаллической пластины, приводящий в действие механизм расцепления. При этом происходит изменение состояния вспомогательных контактов, которые используются в цепях управления и сигнализации.

Реле снабжаются биметаллическим температурным компенсатором с обратным прогибом по отношению к биметаллическим пластинам для компенсации зависимости от температуры окружающей среды, обладают возможностью ручного или автоматического взвода (возврата).

Реле имеют шкалу, калиброванную в амперах. Согласно международным стандартам шкала должна соответствовать значению номинального тока двигателя, а не тока срабатывания. Ток несрабатывания реле составляет 1,05I_ном. При перегрузке электродвигателя на 20% (1,2I_ном) произойдет его срабатывание в соответствии с времятоковой характеристикой [5].

Выбор реле производится по кривым срабатывания (рис. 7), с учетом холодного и теплого старта электродвигателя. Характерным параметром выбора является перегрузочная способность электродвигателя:

K_p = I_a / I_n,

где I_a – пусковой ток;
I_n – номинальный ток и минимальное время пуска t_E, указанные в паспортных данных на электродвигатель.

Кривая срабатывания при холодном пуске должна проходить ниже точки с этими координатами. Как видно из рисунка, срабатывание реле из теплого состояния или при обрыве одной из фаз произойдет значительно раньше, чем из холодного состояния или при наличии всех трех фаз (кривые лежат ниже), т. е. реле обладают тепловой памятью. Здесь теплое состояние реле – режим после длительного протекания номинального тока.

Рис. 7 Кривая срабатывания теплового реле

Реле, в зависимости от конструкции, могут монтироваться непосредственно на магнитные пускатели, в корпуса пускателей или на щиты. Правильно подобранные тепловые реле защищают АД не только от перегрузки, но и от заклинивания ротора, перекоса фаз и от затянутого пуска.

Недостатком тепловых реле является то, что трудно подобрать реле из имеющихся в наличии так, чтобы ток теплового элемента соответствовал току электродвигателя. Кроме того, сами реле требуют защиты от короткого замыкания, поэтому в схемах должны быть предусмотрены предохранители или автоматы. Поскольку тепловые процессы, происходящие в биметалле, носят достаточно инерционный характер, реле плохо защищает от перегрузки, связанной с быстропеременной нагрузкой на валу электродвигателя.

Если нагрев обмоток обусловлен неисправностью вентилятора (погнуты лопасти или проскальзывание на валу), загрязнением оребренной поверхности двигателя, тепловое реле тоже окажется бессильным, т. к. потребляемый ток не возрастает или возрастает незначительно. В таких случаях только встроенная тепловая защита способна обнаружить опасное повышение температуры и вовремя отключить двигатель.

В следующем номере журнала мы расскажем о термочувствительных защитных устройствах (термисторах и термостатах), реле напряжения и контроля фаз (мониторах напряжения). Кроме того, подробно остановимся на универсальных устройствах защиты асинхронных двигателей, способных контролировать сетевое напряжение, фазные токи, протекающие в обмотках АД, а также, сопоставляя оба эти параметра между собой, делать выводы о наличии той или иной аварии.

Литература

1. Данилов И. А., Иванов П. М. Общая электротехника с основами электроники. – М.: Высшая школа, 2000.
2. Грундулис А. О. Защита электродвигателей в сельском хозяйстве. – М.: Агропромиздат, 1988.
3. Паначевный Б. И. Курс электротехники. – Харьков, Торгсинг; Ростов-на-Дону, Феникс, 2002.
4. АВВ. Основной каталог. Контакторы. Аппараты защиты электродвигателей.
5. АВВ. Технический каталог. Низковольтные автоматические выключатели на ток до 630 А.