принцип действия, особенности и виды

Защита электродвигателя от перегрузки на сегодняшний день является одной из основных задач, которую нужно решить, чтобы успешно эксплуатировать это устройство. Такие типы двигателей используются достаточно широко, а потому было изобретено и множество способов оградить их от различных негативных эффектов.

Уровни защиты

Существует большое разнообразие устройств для защиты данного оборудования, однако, все их можно разделить на уровни.

• Внешний уровень защиты от короткого замыкания. Чаще всего здесь используется различного типа реле. Данные приборы и уровень защиты находятся на официальном уровне. Другими словами, это обязательный предмет защиты, который должен быть установлен, согласно правилам безопасности на территории РФ.
• Реле защиты электродвигателя от перегрузок поможет избежать разнообразных критических повреждений в процессе работы, а также возможных повреждений. Эти приборы также принадлежат к внешнему уровню защиты.
• Внутренний слой защиты предотвращает возможный перегрев деталей двигателя. Для этого иногда используются внешние выключатели, а иногда реле перегрузки.

Причины сбоев оборудования

На сегодняшний день существует большое разнообразие проблем, из-за которых может быть нарушена работоспособность электрического двигателя, если он не будет оборудован приборами для защиты.

1. Низкий уровень электрического напряжения или же, наоборот, слишком высокий уровень подачи могут стать причиной выхода из строя.
2. Возможна поломка вследствие того, что слишком быстро и часто будет изменяться частота подачи тока.
3. Неверная установка агрегата или же его элементов также может быть опасна.
4. Повышение температуры до критического значения или выше.
5. Слишком слабое охлаждение тоже приводит к поломкам.
6. Сильно негативно сказывается повышенная температура окружающей среды.
7. Немногие знают, то пониженное давление или же установка двигателя намного выше уровня моря, что вызывает пониженное давление, также имеют негативное влияние.
8. Естественно, что необходима защита электродвигателя от перегрузок, которые могут возникать, из-за сбоев в электросети.
9. Частое включение и выключение прибора — это негативный дефект, который также нуждается в устранении при помощи приборов защиты.

Плавкие предохранители

Полное название средства защиты — плавкий предохранительный выключатель. В данном устройстве объединяется и автоматический выключатель и плавкий предохранитель, которые расположены в одном корпусе. При помощи выключателя можно также размыкать или замыкать цепь вручную. Плавкий же предохранитель — это защита электродвигателя от перегрузки по току.

Стоит отметить, что конструкция аварийного выключателя предусматривает наличие специального кожуха, который защищает персонал от случайного контакта с клеммами устройства, а также сами контакты от окисления.

Что касается плавкого предохранителя, то это приспособление должно быть способно отличать перегрузку по току от возникновения в цепи короткого замыкания. Это очень важно, так как кратковременная перегрузка по току вполне допускается. Однако, токовая защита электродвигателя от перегрузки должна сработать немедленно, если этот параметр будет продолжать расти.

Предохранители от КЗ

Существует разновидность плавкого предохранителя, которая предназначена для защиты агрегата от короткого замыкания (КЗ). Однако, здесь стоит отметить, что плавкий предохранитель быстрого срабатывания может выйти из строя, если при запуске аппарата будет происходить кратковременная перегрузка, то есть увеличение пускового тока. По этой причине такие приборы обычно используются в тех сетях, где такой скачок невозможен. Что касается самого средства защиты электродвигателя от перегрузки, то предохранитель быстрого срабатывания может выдержать ток, который будет превышать его номинальный на 500%, если перепад длится не более четверти секунды.

Предохранители с задержкой

Развитие технологий привело к тому, что удалось создать прибор для защиты и от перегрузки, и от короткого замыкания одновременно. Таким средством стал плавкий предохранитель с задержкой срабатывания. Особенность заключается в том, что он способен выдерживать 5-кратное увеличение тока, если оно длится не более 10 секунд. Возможно даже более сильное увеличение параметра, но на более короткий срок, прежде чем предохранитель сработает. Однако, чаще всего интервала в 10 секунд хватает и для запуска двигателя, и для того, чтобы предохранитель не сработал. Защита однофазного электродвигателя от перегрузок, от КЗ, а также другого типа электродвигателя таким прибором считается одной из наиболее надежных.

Здесь также стоит отметить, как определяется время срабатывания этого устройства защиты. Время срабатывания именно плавкого предохранителя — это отрезок, за который плавится его плавкий элемент (проволока). Когда проволока полностью расплавляется, цепь размыкается. Если говорить о зависимости времени отключения от перегрузки именно для таких типов средств защиты, то они обратно пропорциональны. Другими словами, токовая защита электродвигателя от перегрузок работает так — чем выше сила тока, тем быстрее плавится проволока, а значит сокращается время разъединения цепи.

Магнитные и тепловые приборы

На сегодняшний день автоматические приборы теплового типа считаются наиболее надежными и экономичными приборами для защиты электродвигателя от тепловых перегрузок. Эти устройства также способны выдерживать большие амплитуды тока, которые могут возникнуть во время пуска прибора. Кроме того, тепловые предохранители защищают от таких неполадок как блокировка ротора, к примеру.

Защита асинхронных электродвигателей от перегрузки может осуществляться при помощи магнитных выключателей автоматического типа. Они отличаются высокой надежностью, точностью и экономичностью. Его особенность заключается в том, что на предел его срабатывания по температуре не влияет изменение температуры окружающей среды, что в некоторых условиях работы очень важно. Также они отличаются от тепловых тем, у них более точно определено время срабатывания.

Реле перегрузки

Функции данного устройства достаточно просты, однако, и довольно важны.

1. Такой прибор способен выдержать кратковременный перепад по току во время запуска двигателя без разрыва цепи, что наиболее важно.
2. Размыкание цепи происходит в том случае, если ток увеличивается до того значения, когда возникает угроза поломки защищаемого прибора.
3. После того как перегрузка будет устранена, реле может вернуться в исходное положение автоматически или же может быть возвращено вручную.

Стоит отметить, что токовая защита электродвигателя от перегрузок при помощи реле осуществляется в соответствии с характеристикой срабатывания. Другими словами — в зависимости от класса прибора. Наиболее распространенными являются классы 10, 20 и 30. Первая группа — это реле, которые срабатывают в случае наличия перегрузки, в течение 10 секунд и, если числовое значение тока превышает 600% от номинального. Вторая группа срабатывает спустя 20 секунд и менее, третья, соответственно, спустя 30 секунд и менее.

Плавкие средства защиты и реле

В настоящее время довольно часто сочетают два средства защиты — плавкие предохранители и реле. Такая комбинация работает следующим образом. Плавкий предохранитель должен защищать двигатель от короткого замыкания, а потому у него должна быть достаточно большая емкость. Из-за этого он не может защитить устройство от более низких, но все же опасных токов. Именно для устранения этого недостатка в систему вводятся реле, которые реагируют на более слабые, но все же опасные колебания тока. Наиболее важно в данном случае настроить плавкий предохранитель таким образом, чтобы он сработал раньше, чем возникнут повреждения какого-либо элемента.

Наружные средства защиты

В настоящее время довольно часто используются усовершенствованные системы наружной защиты электродвигателя. Они могут защитить прибор от перенапряжения, перекоса фаз, способны устранять вибрации или же ограничивать число включений и выключений. К тому же у таких средств имеется встроенный тепловой датчик, который помогает контролировать температуру подшипников, статора. Еще одна особенность такого прибора в том, что он способен воспринимать и обрабатывать цифровой сигнал, который создает температурный датчик.

Основное предназначение наружных средств защиты — это сохранение работоспособности трехфазных двигателей. Помимо того, что такое оборудование способно защитить двигатель во время сбоя в электрической сети, оно также обладает еще несколькими преимуществами.

• Наружное устройство может сформировать и подать сигнал о неисправности еще до того, как она нарушит работоспособность машины.
• Проводит диагностику тех проблем, которые уже возникли.
• Дает возможность провести проверку реле во время технического обслуживания.

Исходя из всего вышесказанного, можно утверждать, что устройств для защиты электродвигателя от перегрузки существует большое разнообразие. Кроме того, каждое из них способно защитить прибор от определенных негативных воздействий, а потому целесообразно их комбинировать.

Защита электродвигателя от перегрузки- Часть 1

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ:

 

Согласно правилам устройства электроустановок (ПУЭ), на двигателях напряжением выше 1000 В должны устанавливаться следующие устройства релейной защиты:

 

• защита от междуфазных коротких замыканий;
• защита от замыканий на землю;
• защита от двойных замыканий на землю;
• защита от перегрузки.

 

 

Для синхронных двигателей дополнительно требуется защита от асинхронного режима. Применяемые для этой цели виды защиты зависят от мощности электродвигателей:

В качестве защиты от междуфазных КЗ при мощности двигателей до 5000 кВт применяется токовая отсечка. Она может применяться и для двигателей большей мощности, не имеющих фазных выводов со стороны нейтрали двигателя. При двигателях большей мощности, а также если токовая отсечка для двигателей меньшей мощности не удовлетворяет требованиям чувствительности, применяется дифференциальная защита при условии, что эти двигатели имеют выводы со стороны нейтрали.

 

В качестве защиты от замыканий на землю при токах замыкания более 5 Ампер для двигателей мощностью более 2000 кВт, и 10 А для двигателей меньшей мощности, применяется токовая защита нулевой последовательности, действующая на отключение. На линиях, питающих двигатели передвижных механизмов, защита от замыканий на землю, по соображениям электробезопасности, должна действовать на отключение независимо от величины тока замыкания на землю. На блоках трансформатор– двигатель защита от замыканий на землю действует на сигнал. Указанная защита входит в состав всех перечисленных ниже устройств.

 

В качестве защиты от двойных замыканий на землю применяется токовая защита нулевой последовательности, действующая на отключение. Она применяется в тех случаях, когда защита от замыканий на землю имеет выдержку времени. Ее применение обязательно, если защита от междуфазных КЗ выполняется в двух фазах.

 

Защита от перегрузки требуется для двигателей, подверженных перегрузке по технологическим причинам, или с особо тяжелыми условиями пуска. Защиту от перегрузки согласно нормам Республики Беларусь, можно выполнять с зависимой или независимой выдержкой времени. Защита от перегрузки может действовать на разгрузку механизма по технологическим цепям или сигнал: – 1-я ступень и на отключение – 2-я ступень. Выдержка времени защиты от перегрузки при токе, равном пусковому току двигателя, выполняется большей времени его пуска. Как правило, при таком выполнении защиты двигателя имеется значительный тепловой запас – обычные двигатели по температуре выдерживают не менее двух пусков подряд. Это дает возможность выполнить действие такой защиты от перегрузки на разгрузку механизма.

Таким образом, согласно ПУЭ, на двигателях мощностью менее 5000 кВт можно иметь токовую отсечку, токовую защиту от замыканий на землю, защиту от перегрузки. Такие защиты можно выполнять на тепловых реле. Существуют специальные защиты от перегрузки с зависимой характеристикой, совпадающей с тепловой, которая определяет тепловое состояние двигателя и позволяет полнее использовать его перегрузочную способность. Параметры этой характеристики зависят от данных самого электродвигателя: системы охлаждения, допустимой температуры для изоляции двигателя, исходной температуры двигателя или помещения. Все эти данные учитывают специальные защиты двигателей. Поэтому, защиты от перегрузки такого типа имеют обычно 2 ступени: ступень с меньшей выдержкой времени действует на разгрузку, с большей – на отключение. В большинстве случаев применяемые у нас защиты имеют одну установку с зависимой или независимой выдержкой времени. Согласно ПУЭ защита от перегрузки должна действовать на сигнал, разгрузку механизмы и, лишь в крайнем случае, на отключение. В такой ситуации не требуется значительная выдержка времени, требуется отстроится только от времени самостоятельного запуска электродвигателя.

 

Режим асинхронного хода сопровождается перегрузкой двигателя, и на него реагируют защиты от перегрузки. Поэтому часто защита от перегрузки выполняет одновременно функцию защиты от асинхронного режима. Простые токовые защиты могут срабатывать и возвращаться при колебаниях тока. Поэтому защиты от перегрузки в асинхронном режиме должны накапливать выдержку времени. Такой принцип должен быть заложен в защиту от перегрузки. Так, как и ранее, можно использовать две ступени защиты от перегрузки: ступень с меньшей выдержкой времени действует на ресинхронизацию, с большей на отключение. Поскольку в этом случае невозможно различить режим перегрузки и асинхронный режим, нельзя обеспечить автоматическую ресинхронизацию. При наличии дежурного персонала на объекте, он может это выявить визуально при срабатывании 1-й сигнальной ступени. Специальные защиты от потери возбуждения имеются в устройствах возбуждения крупных двигателей. Эти устройства целесообразно использовать для автоматической ресинхронизации.

Для двигателей, работающих в блоке с понижающим трансформатором, может быть выполнена общая защита, если она удовлетворяет требованиям к защите как двигателя, так и трансформатора.

Для облегчения условий самостоятельного запуска, а также для предотвращения подачи несинхронного напряжения на возбужденные синхронные двигатели или заторможенные механизмы, двигатели должны быть оборудованы защитой минимального напряжения. Эта защита может быть либо индивидуальной, либо групповой. В ряде случаев для ускорения подачи напряжения на шины, или предотвращения подачи напряжения на двигатели автоматикой внешней сети, синхронные двигатели могут быть дополнительно оборудованы защитой по понижению частоты, так как они способны длительно поддерживать напряжение в сети. Следовательно, при использовании такого реле для защиты двигателя нет необходимости в применении с этой целью специальных реле напряжения.

 

Кроме перечисленных обязательных для двигателей функций защиты, специальные защиты для двигателей имеют дополнительные функции, использование которых улучшает условия эксплуатации двигателя, тем самым снижая вероятность повреждения и продлевая срок его службы. К ним относятся:

 

 

• защита от обрыва фазы;
• ограничение количества пусков;
• запрет пуска по времени прошедшего от предыдущего пуска;
• защита минимального тока или мощности;
• защита от заклинивания или затормаживания ротора.

 

 

Специальные устройства защиты двигателей могут работать не только с током и напряжением, но и с датчиками температуры. У двигателей большой мощности существуют также технологические защиты, которые могут действовать на отключение двигателей при: повышении температуры двигателя, его подшипников, прекращении смазки подшипников, циркуляции воздуха в системе охлаждения. Необходимость этих защит и предъявляемые к ним требования излагаются в заводской документации. Эти защиты подаются на дискретные входы устройства защиты.

 

НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Вращающий момент электродвигателей и момент сопротивления механизма

Нормальный установившийся режим работы электродвигателя характеризуется равенством электромагнитного момента Мд, развиваемого электродвигателем, и механического момента сопротивления Мс  

механизма, приводимого в действие электродвигателем: Mд = Мс

Если Mд < Mc , то электродвигатель будет тормозиться, а если      Mд > Mc , то частота вращения электродвигателя будет увеличиваться. При неизменном напряжении питающей сети момент, развиваемый асинхронным электродвигателем, зависит от частоты вращения n или, что то же самое, скольжения s.

 В нормальных условиях равенство Mд = Мс имеет место при s = 0,02–0,05. Максимальный момент электродвигателя Mд max равен приблизительно двукратному номинальному моменту: Mдmax Mдном = 2  Частота вращения nк и скольжение SK, соответствующие максимальному моменту, называются критическими.

Рис. 9.1

Зависимость момента вращения асинхронных электродвигателей и моментов сопротивления

механизмов от частоты вращения.

 

Пусковой момент Мд пуск, соответствующий частоте вращения n = 0 или скольжению s = 1, в зависимости от конструкции электродвигателя имеет разные значения (кривые 1, 2, 3, рис. 9.1). Характеристики моментов сопротивления механизмов, которые приводятся в действие электродвигателями, в зависимости от их частоты вращения, могут быть зависящими от частоты вращения (кривая 

5) и не зависящими от нее (кривая 4, рис. 9.1). Момент сопротивления, не зависящий от частоты вращения, имеют, например, шаровые мельницы в системе пылеприготовления электростанции. Момент сопротивления, резко зависящий от частоты вращения, имеют все центробежные механизмы.

Ток, потребляемый статором электродвигателя из сети, Iд состоит из тока намагничивания Iнам статора и тока ротора, приведенного к обмотке статора Iрот:

(Рис. 9.2.) Схема замещения асинхронного электродвигателя от скольжения.  (Рис. 9.3.) Зависимость тока статора и сопротивления

При пуске, т. е. при подаче напряжения на неподвижный электродвигатель, сопротивление его мало и ток ротора имеет максимальное значение. Соответственно, максимальное значение имеет и ток статора. Ток статора при пуске электродвигателя называется пусковым током. Начальный пусковой ток равен току трехфазного КЗ за сопротивлением, равным сопротивлению неподвижного электродвигателя. Пусковой ток состоит из переменной составляющей, затухающей по мере увеличения частоты вращения, и апериодической составляющей, затухающей в течение нескольких периодов. Из осциллограммы пуска двигателя, представленной на рис. 9.4, видно, что по мере разворота ток, потребляемый электродвигателем, меняется вначале мало, и только при приближении к синхронной частоте вращения он быстро спадает. Объясняется это характером изменения сопротивления двигателя. Периодическая составляющая пускового тока электродвигателя Iд пуск при неподвижном роторе в 4–8 раз превосходит Iном. Пик тока с учетом апериодической составляющей достигает:Пуск электродвигателей Это следует из схемы замещения (рис. 9.2). Ток в роторе определяется наведенной в нем ЭДС, которая зависит от скольжения. Токи ротора и статора также меняются с изменением скольжения. Характер зависимости периодической составляющей Iд и сопротивления электродвигателя Zд от скольжения представлен на рис. 9.3. При нормальной работе электродвигателя, когда скольжение составляет 2–5% (близко к нулю), сопротивление ротора очень велико, Iрот мал, мал и ток статора, так как ветвь намагничивания имеет большое сопротивление.

 

Пуск электродвигателей

 

При пуске, т. е. при подаче напряжения на неподвижный электродвигатель, сопротивление его мало и ток ротора имеет максимальное значение. Соответственно, максимальное значение имеет и ток статора. Ток статора при пуске электродвигателя называется пусковым током. Начальный пусковой ток равен току трехфазного КЗ за сопротивлением, равным сопротивлению неподвижного электродвигателя. Пусковой ток состоит из переменной составляющей, затухающей по мере увеличения частоты вращения, и апериодической составляющей, затухающей в течение нескольких периодов. Из осциллограммы пуска двигателя, представленной на рис. 9.4, видно, что по мере разворота ток, потребляемый электродвигателем, меняется вначале мало, и только при приближении к синхронной частоте вращения он быстро спадает. Объясняется это характером изменения сопротивления двигателя. Периодическая составляющая пускового тока электродвигателя Iд пуск при неподвижном роторе в 4–8 раз превосходит Iном. Пик тока с учетом апериодической составляющей достигает:

Рис. 9.4 Осциллограмма пускового тока асинхронного электродвигателя. 

Продолжительность затухания периодической составляющей пускового тока до значения номинального тока зависит от параметров электродвигателя и условий пуска. При пуске с нагрузкой развертывание электродвигателя до номинальной скорости происходит медленнее и продолжительность спада тока увеличивается. Это объясняется тем, что ускорение вращения ротора зависит от значения избыточного момента:

Mизб = Мд − Мс

(9.5)

 

Если Мд превосходит Мс во все время пуска, то электродвигатель пускается быстро и легко. Как видно из рис. 9.1, электродвигатели, приводящие механизмы с зависимым от частоты вращения моментом сопротивления, пускаются легче, чем электродвигатели, приводящие механизмы с независимым от частоты вращения моментом сопротивления. В последнем случае при недостаточном значении пускового момента электродвигатели могут вообще не развернуться (кривые 2 и 4, рис. 9.1), так как, начиная со скольжения, соответствующего точке а, Мс превосходит Мд.

 

Электродвигатели с глубоким пазом и двойной обмоткой ротора имеют наиболее благоприятный пусковой момент (кривая 3, рис. 9.1). Длительность пуска электродвигателей tпуск, как правило, не превосходит 10–15 с, и только у электродвигателей с тяжелыми условиями пуска это значение может быть значительно больше.

При возникновении КЗ в питающей сети вблизи зажимов электродвигателя, последний за счет внутренней ЭДС, поддерживаемой энергией магнитного поля, посылает к месту КЗ быстро затухающий ток. Броски тока КЗ могут достигать значений пусковых токов.

Зависимость момента электродвигателей от напряжения выражается формулой:

 

При КЗ в сети напряжение на зажимах электродвигателей снижается. В результате этого, моменты электродвигателей уменьшаются, и они начинают тормозиться, увеличивая скольжение (кривые 1,

1′, 1″, рис. 9.5) до тех пор, пока вновь не восстановится равенство Mд = Мс . Если при этом окажется, что Mдmax = Мс (кривая 1′‘, точка а на рис. 9.5), то электродвигатель будет находиться на

пределе устойчивой работы и иметь скольжение, равное критическому. При дальнейшем снижении напряжения электродвигатель будет тормозиться вплоть до полной остановки. После отключения КЗ напряжение питания восстанавливается, и дальнейшее поведение электродвигателя будет зависеть от скольжения, имевшего место в момент восстановления напряжения, и соответствующих ему

значений Mд и Мс .

Рис. 9.5 Зависимость момента вращения асинхронных электродвигателей от скольжения s при различных значениях напряжения.

При Мд > Мс электродвигатель развернется до нормальной частоты вращения, а при Мд < Мс будет продолжать тормозиться до полного останова. В этом случае электродвигатель необходимо отключить, так как он будет потреблять пусковой ток, не имея возможности развернуться.

Самозапуск электродвигателей тяжелее обычного пуска. Объясняется это тем, что при самозапуске электродвигатели пускаются нагруженными, а электродвигатели с фазным ротором – без пускового реостата в цепи ротора, что уменьшает пусковой момент и увеличивает пусковой ток и, наконец, пускается большое количество электродвигателей одновременно, что вызывает падение напряжения в питающей сети от суммарного пускового тока. Однако самозапуск электродвигателей проходит сравнительно легко. Так самозапуск электродвигателей собственных нужд электростанций возможен даже в тех случаях, когда в первый момент после восстановления напряжения значение его составляет 0,55Uном. При этом общее время самозапуска не превышает 30-35 с, что допустимо по их нагреву.

 

В случае обрыва одной из фаз обмотки статора электродвигатель продолжает работать. Частота вращения ротора при этом несколько уменьшается, а обмотки двух, оставшихся в работе фаз перегружаются током в 1,5–2 раза большим номинального. Защита от работы на двух фазах применялась ранее лишь на электродвигателях напряжением до 500 В, защищенных предохранителями, если двухфазный режим работы может повлечь за собой повреждение электродвигателя. В настоящее время в связи с высокой стоимостью двигателей высокого напряжения и высокой вероятностью неполнофазных режимов в питающей сети считается целесообразным, не вводя специальную защиту от режима работы двумя фазами, отключать двигатели защитой от перегрузки, которая имеет подходящие для этой цели уставку (1,1÷1,3)Iном. Токовые органы защиты от перегрузки в этом случае должны включаться не менее чем в 2 фазы трансформаторов тока двигателей.

 

ЗАЩИТА ДВИГАТЕЛЕЙ ОТ МЕЖДУФАЗНЫХ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ

 

Защита от КЗ между фазами является основной РЗ электродвигателей, и установка ее обязательна во всех случаях. В качестве РЗ электродвигателей мощностью до 5000 кВт от КЗ, согласно ПУЭ, применяется МТЗ (токовая отсечка). Наиболее просто токовая отсечка выполняется с реле прямого действия, встроенными в привод выключателя. Для работы при всех видах междуфазных КЗ отсечка должна выполняться в двух фазах.

Токовая отсечка должна быть отстроена от пускового тока двигателя. В момент включения двигателя появляется бросок тока намагничивания, в 1,6÷1,8 раза превышающий по амплитуде установившийся пусковой ток двигателя. Это бросок учитывается повышенным коэффициентом надежности при отстройке от пускового тока двигателя.

IСЗ = kн Iпmax

где

IСЗ – первичный ток срабатывания отсечки;

kн – коэффициент надежности, с учетом отстройки от броска тока намагничивания равен 1,8 — для отсечек с временем срабатывания 0,05 с и более, или 2 — при времени срабатывания меньшем 0,05 с;

Iпmax – пусковой ток двигателя в максимальном режиме.

Кратность пускового тока двигателя может быть взята из паспорта двигателя. А пусковой ток равен:

Iпmax = kпуск Iном

(9.8)

 

После выбора уставки должна быть проверена чувствительность отсечки по току:

k	= I (2)	/ I	СЗ	(9.9)
ч	КЗ min

 

где

kч – коэффициент чувствительности, он должен быть не менее 2;

IКЗ(2)min – ток двухфазного короткого замыкания в минимальном режиме.

Если ток срабатывания отсечки отстроен от пускового тока электродвигателя, то она надежно отстроена и от тока, который электродвигатель посылает в сеть при внешнем КЗ.

Токовую РЗ электродвигателей мощностью до 2000 кВт ранее выполняли на простой и дешевой однорелейной схеме, включая реле на разность токов двух фаз. Недостатком этой схемы является более низкая чувствительность по сравнению с двухрелейной отсечкой, к двухфазным КЗ между одной из фаз, на которых установлен ТТ, и фазой без ТТ. Ток срабатывания реле отсечки, выполненной по однорелейной

схеме, в  3 раз больше, чем в двухрелейной схеме: при выборе уставки учитывался коэффициент схемы при симметричном пусковом режиме равный kсх = 3 .

IСЗ = 3 kн Iпmax

(9.10)

 

Соответственно ниже в 3 раз получалась и чувствительность защиты.

На электродвигателях мощностью 2000-5000 кВт токовую отсечку необходимо выполнять двухрелейной. Двухрелейную схему отсечки требуется также применять на электродвигателях мощностью до 2000 кВт, если коэффициент чувствительности однорелейной схемы при двухфазном КЗ на выводах электродвигателя окажется менее двух (kч < 2). При использовании реле УЗА-АТ или УЗА-10 отсечка выполняется 2–элементной, независимо от мощности двигателя.

На электродвигателях мощностью 5000 кВт и более должна дополнительно устанавливается продольная дифференциальная РЗ, обеспечивающая более высокую чувствительность к КЗ на выводах и в обмотках (Iсз ≤ Iном). Если токовая отсечка не обладает необходимой чувствительностью, то дифзащита может выполняться и на двигателях меньшей мощности, при условии наличия на двигателе выводов фаз со стороны нейтрали.

Для этого применяются специальные дифференциальные реле, включаемые на комплекты трансформаторов тока, соединенные в неполную звезду на сторонах выводов и нейтрали двигателей. Защита выполняется двухфазной. Могут использоваться реле РНТ-565, ДЗТ-11, или РСТ-15 ЧЭАЗ УЗА-10 ДТ.2 Описание дифференциальных реле приводилось в гл. 8.

Поскольку РЗ в двухфазном исполнении не реагирует на двойное замыкание на землю, одно из которых возникает в обмотке электродвигателя на фазе В, в которой отсутствует ТТ, дополнительно устанавливается специальная РЗ от двойных замыканий на землю, которая выполняется токовым реле, подключенным к ТТНП. Эта функция может выполняться защитой от замыкания на землю, если она не имеет выдержки времени.

 

Защита электродвигателя от перегрузки — полезная информация

В промышленности и различных бытовых приборах используется большое количество электродвигателей. Для того чтобы избежать сбоев в работе устройства и его дорогостоящего ремонта, необходимо оснастить его прибором защиты от перегрузки.

Принцип работы двигателя

Производителеями рассчитано, что при номинальном токе двигатель никогда не перегреется

Наиболее распространены электродвигатели переменного тока.

Принцип их действия основан на использовании законов Фарадея и Ампера:

• В соответствии с первым в проводнике, который находится в изменяющемся магнитном поле, индуцируется ЭДС. В двигателе такое поле генерируется переменным током, протекающим по обмоткам статора, а ЭДС появляется в проводниках ротора.
• По второму закону на ротор, по которому протекает ток, будет воздействовать сила, перемещающая его перпендикулярно электромагнитному полю. В результате этого взаимодействия начинается вращение ротора.

Существуют асинхронные и синхронные электродвигатели такого типа. Чаще всего используются асинхронные двигатели, у которых в качестве ротора используется короткозамкнутая конструкция из стержней и колец.

Для чего нужна защита

В процессе работы двигателя могут возникнуть различные ситуации, связанные с его перегрузкой, что может привести к аварии, это:

• пониженное напряжение питания;
• обрыв фазы;
• перегрузка приводимых в действие механизмов;
• слишком долгий процесс запуска или самозапуска.

По сути, защита электродвигателя от перегрузок заключается в том, чтобы своевременно обесточить двигатель

При возникновении таких нештатных ситуаций возрастает ток в обмотках. Например, при обрыве фазы питания ток статора может увеличиться от 1,6 до 2,5 раз относительно номинального тока. Это приводит к перегреву двигателя, нарушению изоляции обмоток, короткому замыканию (КЗ) и в некоторых случаях к пожару.

Как выбрать защиту электродвигателя от перегрузки

Защита электродвигателя от перегрузки может осуществляться с помощью различных устройств. К ним относятся:

• плавкие предохранители с выключателем;
• реле защиты;
• тепловые реле;
• цифровые реле.

Наиболее простой метод — применение плавких предохранителей, которые срабатывают при возникновении КЗ в схеме питания двигателя. Их недостатком является чувствительность к большим пусковым токам двигателя и необходимость установки новых предохранителей после срабатывания.

Плавкий предохранительный выключатель — это аварийный выключатель и плавкий предохранитель, объединённые в едином корпусе

Токовое реле защиты может выдерживать временные токовые перегрузки, возникающие при пуске двигателя, и срабатывает при опасном длительном увеличении тока потребления двигателя. После устранения перегрузки реле может вручную или автоматически подключать цепь питания.

Тепловые реле используются в основном внутри двигателя. Такое реле может представлять собой биметаллический датчик или терморезистор и устанавливаться на корпусе двигателя или непосредственно на статоре. При слишком высокой температуре двигателя реле срабатывает и обесточивает цепь питания.

Наиболее продвинутым является использование новейших систем защиты с применением цифровых методов обработки информации. Такие системы наряду с защитой двигателя от перегрузки выполняют дополнительные функции — ограничивают число переключений двигателя, с помощью датчиков оценивают температуру статора и подшипников ротора, определяют сопротивление изоляции устройства. Они могут быть использованы также для диагностики неисправностей системы.

Выбор того или иного метода защиты двигателя зависит от условий и режимов его работы, а также от ценности системы, в которой используется устройство.

Как защитить электродвигатель от перегрузок. Применяемые устройства | Полезные статьи

Любой электродвигатель нуждается в надежной защите от теплового перегрева, короткого замыкания и всевозможных перегрузок, которые могут быть вызваны аварийными ситуациями или неисправностями. Чтобы не допустить подобных ситуаций, в промышленности производится довольно много разных устройств, которые как в отдельном порядке, так и в комплекте с другими средствами, образуют блок мощной защиты электродвигателя. Помимо этого, в современные схемы обязательно включают различные элементы, предназначенные для того, чтобы комплексно защитить электрооборудование в случае исчезновении напряжения одной или сразу нескольких фаз питания. Защита электродвигателей очень важна в любом производстве, ведь без нее довольно трудно представить полноценную работу станков и агрегатов.

Существуют сложные средства защиты электродвигателей, использующихся для противодействия аварийным ситуациям, в числе которых могут быть такие случаи как, например, несанкционированный пуск, работа сразу на двух фазах, работа при низком или высоком напряжении, короткое замыкание электрической цепи.

К таким средствам относятся предохранители или автоматические выключатели с кривой D (они защищают электродвигатель от токов короткого замыкания). Особенность их работы заключается в том, что такие автоматические устройства не отключаются при запуске электродвигателя, если сила его пускового тока достигает высокой отметки на период, который по времени меньше одной секунды. Наиболее популярная марка подобных выключателей — это, например, Acti 9.

Также могут использоваться специальные автоматические выключатели для защиты электродвигателей. Автомат защиты электродвигателя имеет электромагнитный и регулируемый тепловой расцепитель, что дает возможность защитить агрегат от короткого замыкания и перегрузки. В результате существенно уменьшается время простоя двигателя, а также снижаются расходы на его техобслуживание. Здесь можно упомянуть такие марки как, например, GV2(3), PKZM, MPE 25 и пр.Используются для защиты и тепловые реле, которые устанавливаются на контакторы (обеспечивают защиту от перегрузки). Реле тепловой защиты отключает трехфазные электродвигатели при перегреве с использованием встроенного вспомогательного выключателя. Известные марки таких реле — это, в частности, SIRIUS и ZB.Реле контроля напряжения, асимметрии и наличия фаз в свою очередь обесточивает двигатель в случае пропадания одной из фаз, превышении или понижении допустимого напряжения. Благодаря такому реле в случае аварии трехфазная нагрузка автоматически отключается. Кроме того, реле контроля напряжения самостоятельно возвращается к рабочему режиму после того, как сеть восстанавливается. Популярные марки подобных реле выпускаются компаниями EKF и ABB.

Устройство защиты электродвигателя — это залог его стабильной работы. Основной принцип работы таких устройств заключается в том, что они следят за потреблением тока двигателем, а также измеряют температуру его обмотки и отключают двигатель, когда обмотка нагревается больше предельно допустимой температуры.

21. Защита электродвигателя от перегрузки. Защита от понижения напряжения двигателя.

Защита от

перегрузки

устанавливается

обычно в одной фазе. Аналогично защите

трансформатора от перегрузки данная защита

может срабатывать через определенное время

на разгрузку (если это возможно), а затем на

отключение или сразу на отключение. Ток

срабатывания

защиты

определяется

по

Защита

электродвигателя от перегрузки

формуле

kОТС

, где kОТС

―

IС ,З ≥

IН ,ДВ

kВ

коэффициент отстройки, kОТС = 1,05, kВ ― коэффициент возврата, для реле максимального действия kВ < 1.

Время срабатывания защиты выбирается больше времени пуска двигателя tС ,З = tП +

t .

Защита от понижения напряжения При

групповом

запуске

или

самозапуске

понижается напряжение на шинах, у

двигателей повышается потребляемый ток,

дополнительно снижается напряжение, что

приводит

к

увеличению

времени

самозапуска. Для предотвращения работы

двигателя

при

глубоком

снижении

напряжения

предусматривается

защита от

понижения

напряжения.

В

качестве

измерительного органа защиты используется

Защита от понижения напряжения

реле напряжения.

Напряжение

срабатывания

защиты

электродвигателей неответственных механизмов UС ,З ≤

UMIN ,Р

kОТС kВ

, где kОТС –

коэффициент

отстройки,

kОТС=1,2…1,3, kВ – коэффициент возврата, для реле минимального действия kВ>1; UМIN,Р – минимально возможное напряжение в рабочем режиме, принимается UМIN,Р=0,9 UНОМ.

Для электродвигателей ответственных механизмов принимается UС,З=0,5 UНОМ. Время срабатывания защиты tС ,З = 10…15 с.

22. Защита электродвигателя от замыканий обмотки статора на корпус.

	Защита отстраивается от броска собственного
	емкостного тока IС при внешнем замыкании на землю
	IС,З ≥ kОТС kБ IС ,		где kБ	― коэффициент,
	учитывающий бросок емкостного тока присоединения
	в начальный момент внешнего замыкания на землю,
	связанный с перезарядом распределенных емкостей
	сети, kБ = 2 – 3 для реле РТЗ-51, kБ=3 – 4 для реле
	РТЗ-50 и РТ-40.
	Реле защиты от замыканий на корпус обмотки
	статора подключаются к трансформатору тока
	нулевой последовательности (ТТНП), через который
	продевается питающий кабель ЭД. Необходимо
	отметить, что заземление оболочки кабеля
	обязательно должно проходить через ТТНП во
	избежание неправильных срабатываний защиты от
Защита от замыканий на корпус обмотки	наведенных блуждающих токов на оболочку кабеля.					IС
	Собственный		емкостный		ток
статора	присоединения	складывается		из	собственного
	емкостного тока	кабельной		линии	IС,КЛЭП	и
собственного емкостного тока электродвигателя	IС,ДВ IС = IС,КЛЭП + IС, ДВ		, где	IС ,КЛЭП = IС ,УД l		и

IС, ДВ = 2 π f 3 CДВUФ, IС, УД ― утроенная величина собственного емкостного тока одного километра

КЛЭП, l ― длина КЛЭП, UФ ― фазное напряжение, f ― промышленная частота, CДВ ― емкость двигателя, которая для неявнополюсных синхронных и асинхронных ЭД с короткозамкнутым ротором может быть

рассчитана по формуле		0,0187 SНОМ , ДВ 10−6	для остальных ЭД	C ДВ =		40 4 SНОМ3 ,ДВ 10−9	,
CДВ =	1,2	UНОМ ( 1 + 0,08 UНОМ )			3	(UНОМ + 3,6 ) 3 nНОМ

где SНОМ,ДВ ― номинальная мощность ЭД, МВА; UНОМ ― номинальное линейное напряжение ЭД, кВ; nНОМ ― номинальная частота вращения ЭД, об/мин.

Принципиальная схема защиты от замыкания обмотки статора на корпус приведена на рис. 7.7. Здесь ТА2 ― ТТНП.

Защита от замыкания обмотки статора на корпус

Защита срабатывает на отключение без выдержки времени (если это необходимо по условиям технологии ― взрыво- и пожароопасные помещения) или с выдержкой времени tС,З = 1…2 с.; так как на

промышленных предприятиях на механизмах может присутствовать опасно высокий потенциал прикосновения.

Коэффициент чувствительности защиты в сетях с изолированной нейтралью рассчитывается по

выражению kЧ	=	IC′Σ − IC	≥ 2 .
		IC ,З

23. Защита электродвигателя от несимметричного режима и обрыва фазы.

Несимметричный работа двигателя может возникнуть:

–от внешних факторов, вызванных несимметричным питанием при несимметричных КЗ или несимметричных нагрузок;

–от внутренних факторов, вызванных витковыми замыканиями.

Внесимметричном режиме токи статора электродвигателя можно разложить на симметричные составляющие прямой и обратной последовательности. Токи прямой последовательности создают магнитное поле, вращающееся с синхронной угловой скоростью в ту же сторону, что и ротор двигателя. Поле обратной последовательности также вращается с синхронной угловой скоростью, но в противоположную сторону.

Поле обратной последовательности оказывает тепловое и механическое воздействие на ЭД. Тепловое воздействие обусловлено дополнительными потерями в роторе, которые особенно сильно проявляются при номинальной частоте вращения ротора. При этом в замкнутых контурах ротора наводятся токи с частотой порядка 100 Гц, вызывающие усиленный разогрев элементов на поверхности неявнополюсного ротора (пазовые клинья, зубцы ротора, бандажные кольца, особенно в торцевых зонах, в местах контакта указанных элементов). Синхронные двигатели с явнополюсным ротором и, в меньшей степени, асинхронные нагреваются токами двойной частоты либо из-за наличия специальной обмотки возбуждения, либо из-за наличия короткозамкнутой обмотки на роторе.

Механическое воздействие обусловлено появлением знакопеременного электромагнитного момента и проявляется в виде усиленной вибрации элементов статора и ротора. Наибольшие механические воздействия испытывают сварные швы, крепящие клинья активной стали к полкам корпуса, и лобовые части обмотки статора, особенно места их выхода из пазов.

Для АД допустимо значение U2* более 2% и в соответствии со стандартом должно рассчитываться с учетом отклонения напряжения прямой последовательности, гармоник напряжения и коэффициента

загрузки KЗ. Расчет показывает, что при отсутствии гармоник и отклонений напряжения при номинальной нагрузке двигателя допустимое значение U2* составляет примерно 2,3—4,5% при медленных изменениях U2

и4,82—7,8% при быстрых изменениях U2

Допустимость продолжительного несимметричного режима мощных синхронных машин в соответствии с отечественной практикой эксплуатации определяется неравенством токов в фазах, т. е. арифметической разностью токов. Явнополюсные машины, допускают длительную несимметрию, если ток ни в одной из фаз не превышает номинального значения, а арифметическая разность 20% номинального тока статора при воздушном охлаждении обмотки статора. Нсявнополюсные машины, например синхронные турбодвигатели, исходя из наибольшей длительно допустимой температуры для стали

зубцов ротора, торцевых клиньев и обмотки возбуждения (+130°С) допускают длительную работу при токе обратной последовательности I2=0,08IНОМ и токах в фазах, не превышающих номинальный.

Асинхронные двигатели допускают примерно такую же несимметрию, как и синхронные неявнополюсные машины.

24. Защита электродвигателей напряжением до 1000 В.

Защита предохранителями АД

Основным условием, определяющим выбор предохранителей для защиты асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, является отстройка от пускового тока. Отстройка плавких вставок от пусковых токов выполняется по времени: пуск двигателя должен полностью закончиться раньше, чем вставка расплавится под действием пускового тока.

Опытом эксплуатации установлено правило: для надежной работы вставок пусковой ток не должен превышать половины тока, который может расплавить вставку за время пуска. Все двигатели разбиты на две группы по времени и частоте пуска.

Двигателями с легким пуском считаются двигатели вентиляторов, насосов, металлорежущих станков и т.п., пуск которых заканчивается за 2 — 5 с, пускаются эти двигатели редко, менее 15 раз в 1 ч.

К двигателям с тяжелым пуском относятся двигатели подъемных кранов, центрифуг, шаровых мельниц, пуск которых продолжается более 10 с, а также двигатели, которые пускаются очень часто — более 15 раз в 1 ч. К этой категории относят и двигатели с более легкими условиями пуска, но особо ответственные, для которых совершенно недопустимо ложное перегорание вставки при пуске.

Выбор номинального тока плавкой вставки для отстройки от пускового тока производится по выражению:

I

IВС ≥ Пk,Д , где IП,Д — пусковой ток двигателя, определяемый по паспорту, каталогам или

непосредственным измерением; k — коэффициент, определяемый условиями пуска и равный для двигателей с легким пуском 2,5, а для двигателей с тяжелым пуском 1,6 — 2

Защита автоматическими выключателями АД

Токовая отсечка. Токовую отсечку выключателя отстраивают от пускового тока электродвигателя, который состоит из периодической составляющей, почти неизменной в течение всего времена пуска, и апериодической составляющей, затухающей в течение нескольких периодов. В каталогах приводится только значение периодической составляющей пускового тока IПУСК,ДВ. Несрабатывание отсечки при пуске

электродвигателя	обеспечивается	выбором	тока	срабатывания	по	выражению
IC ,O = 1,05kЗkАkР IПУСК , ДВ = kН IПУСК ,ДВ , где kH			=1,05kЗkAkР — коэффициент		надежности отстройки

отсечки от пускового тока электродвигателя; 1,05 — коэффициент, учитывающий, что в нормальном режиме напряжение может быть на 5 % выше номинального напряжения электродвигателя; k3 — коэффициент запаса; kа — коэффициент, учитывающий наличие апериодической составляющей в пусковом токе электродвигателя; kp — коэффициент, учитывающий возможный разброс тока срабатывания отсечки относительно уставки.

Наилучшая защита от перегрузки обеспечивается, если удается подобрать выключатель, имеющий IН,РАСЦ = IН,ДВ. В этом случае, имея в виду, что для термобиметаллических тепловых реле kВ=1, ток срабатывания защиты (пограничный ток) составит IC ,П = kН IН ,РАСЦ = kН IН ,ДВ

Для защиты АД современными автоматическими выключателями берутся выключатели класса D, у которых

kOТС =	IC ,O	= 10…20
	IН ,РАСЦ

Защита электродвигателей от перегрузки | nataliyatovmach.pro

Защита с тепловым реле

Лучше других могут обеспечить характеристику, приближающуюся к перегрузочной характеристике электродвигателя, тепловые реле.

Тепловые реле реагируют на количество тепла выделенного в его нагревательном элементе.

Тепло, выделяемое в тепловом реле, пропорционально теплу, выделяемому в электродвигателе. Реле настраивается так, чтобы его уставка срабатывания соответствовала теплу, выделение которого в электродвигателе считается предельно допустимым.

Однако тепловые реле сложны в обслуживании и наладке, имеют различные характеристики отдельных экземпляров реле, часто не соответствуют тепловым характеристикам двигателей и имеют зависимость от температуры окружающей среды, что приводит к нарушению соответствия тепловых характеристик реле и электродвигателя. Поэтому в настоящее время тепловые реле применяются лишь для защиты двигателей 220-250 В, если управление ими осуществляется магнитными пускателями.

Защита от перегрузки с токовым реле.

Для защиты электродвигателей от перегрузки обычно применяются максимальные токовые защиты электродвигателей от перегрузки обычно применяются максимальные токовые защиты с использованием токовых реле с ограниченно зависимыми выдержки времени типа ИТ-82 или максимальные токовые защиты, выполненные комбинацией мгновенных токовых реле и реле времени.

Преимуществом токовых защит по сравнению с тепловыми являются более простая эксплуатация их и более легкие подбор и регулировка характеристик защит. Однако токовые защиты не позволяют использовать перегрузочные возможности электродвигателей из-за недостаточного времени действия их при малых кратностях тока. Для двигателей, не имеющих технологических перегрузок, этот недостаток не имеет значения, поэтому на собственных нуждах электростанций применяются только токовые защиты.

В случае выполнения защиты от междуфазных коротких замыканий при помощи токовых реле типа ИТ-82 эти же реле используются и для защиты от перегрузки. Если при этом защита от сверхтоков должна действовать не на отключение, а на сигнал, то применяются реле типа ИТ-84, имеющие раздельные контакты отсечки и индукционного элемента. Отсечка действует на отключение, индукционный элемент- на сигнал.

Время действия защиты от перегрузки должно быть таким, чтобы, с одной стороны, оно было больше времени пуска электродвигателя при эксплуатационно возможном понижении напряжения, а у электродвигателей, для которых предусмотрен самозапуск,-больше времени самозапуска. С другой стороны, это время не должно превышать допустимой для двигателя длинности протекания сверхтока.

Обычно эти условия удовлетворяются, так как первая величина значительно меньше второй.

Время пуска асинхронных электродвигателей обычно составляет 10-15 сек. Поэтому характеристика реле типа ИТ-82 должна иметь в независимой части время не меньше 10-12 сек. На защите от перегрузки с независимой характеристикой выдержка времени принимается 12-20 сек.

 

Поделиться ссылкой: