Защита и автоматика электродвигателей напряжением до 1000 В

Асинхронные электродвигатели напряжением до 1000 В нахо­дят массовое применение в различных отраслях народного хозяй­ства. Они имеют относительно небольшую мощность и невысокую стоимость. Защита и автоматика таких электродвигателей должны отличаться простотой устройства и обслуживания, малой трудоемкостью ремонта, экономичностью и надежностью. Этим требова­ниям удовлетворяют устройства защиты и автоматики, выполнен­ные наиболее простыми средствами: плавкими предохранителями, расцепителями автоматических выключателей и тепловыми реле магнитных пускателей. Если коммутационным аппаратом служит контактор, то устройства защиты и автоматики выполняют на опе­ративном переменном токе, используя первичные и вторичные реле косвенного действия.

Защита от коротких замыканий. В сетях с глухозаземленными нейтралями защита электродвигателя от коротких замыканий вы­полняется трехфазной. Этим обеспечивается ее действие не только при многофазных повреждениях, но и при однофазных коротких замыканиях. В сетях с изолированными нейтралями трехфазной выполняется только защита предохранителями. При использовании других аппаратов можно ограничиваться включением их в две фазы.

Защита плавкими предохранителями выполняется, как правило, отдельно для каждого электродвигателя. Выбор предохранителей и их плавких вставок осуществляется по условиям (5.1) и (5.2). При этом в качестве максимального рабочего тока I_{раб max} берется номинальный ток электродвигателя I_{д. ном}, а ток перегрузки I_пер принимается равным пусковому току I_пcк электродвигателя. В от­дельных случаях допускается использовать один комплект предо­хранителей для защиты нескольких электродвигателей малой мощ­ности, работающих поочередно. В этом случае предохранители выбираются по току электродвигателя наибольшей мощности. Чув­ствительность предохранителей должна удовлетворять требовани­ям, изложенным в § 5.3.

Защита расцепителями автоматических выключателей более со­вершенна, чем защита предохранителями. Расцепители позволяют выполнить все виды защиты — от коротких замыканий, перегруз­ки, снижения напряжений. Для защиты от коротких замыканий используют электромагнитные максимальные расцепители. Их вы­бирают с учетом правил, изложенных в § 5.5. При этом должны выполняться следующие условия:

для электродвигателя с фазным ротором I_с.з.к ≥ (2,5÷3)I_д.ном; для электродвигателя с короткозамкнутым ротором I_с.з.к ≥ (1,5÷1,8)I_пcк; общим условием является I_рц.ном ≥I_{д. ном}. Тре­бования к чувствительности расцепителей изложены в § 5.6.

Защита максимальными реле тока выполняется в виде токо­вой отсечки. Для этого обычно используют электромагнитные пер­вичные реле косвенного действия типов РЭВ-200, РЭВ-570 и др., рассчитанные на различные номинальные токи I_{р. ном}.

На рис. 14.1, а показана схема токовой отсечки без выдержки времени в трехфазном исполнении. Реле тока КА1—КАЗ включа­ются в каждую фазу статора непосредственно. При срабатывании хотя бы одного реле размыкается соответствующий контакт КА1— КАЗ в цепи катушки контактора КМ и электродвигатель отклю­чается от сети. Параметры реле токовой отсечки должны удовлетворять следующим усло­виям: I_{р. ном} ≥ I_{д. ном}; I_c.p≥ (1,3÷1,5) I_пcк.

 

Для защиты можно использовать и вторичные реле косвенного действия, включаемые через транс­форматоры тока. При этом ток срабатывания от­сечки должен определять­ся по выражению

I_c.p=k_запk_сх⁽³⁾ I_пск/K_I. (14.1)

Чувствительность от­сечки считается достаточ­ной, если при коротких

Рис. 14.1. Защита электродвигателя от корот­ких замыканий и перегрузок

замыканиях на выводах электродвигателя коэффициент чувстви­тельности k_ч≥2,0.

Защита от перегрузки. При перегрузках появляется сверхток и повышается температура обмотки электродвигателя. Поэтому от перегрузки можно использовать либо токовую защиту, реагирую­щую на возрастание тока, либо температурную защиту. Токовая защита выполняется электромеханическими или электротепловыми реле. Защита от перегрузки не должна срабатывать при кратко­временных перегрузках, поэтому она имеет выдержку времени и действует на отключение, на сигнал или разгрузку механизма. За­щита устанавливается в тех случаях, когда возможна технологи­ческая перегрузка механизма, а также когда требуется ограничить длительность пуска или самозапуск при пониженном напряже­нии [31].

Защита от перегрузки, выполняемая посредством электромаг­нитных реле, содержит реле тока, включаемое непосредственно в фазу двигателя или во вторичную цепь трансформатора тока, и реле времени (реле КА4 и КТ на рис. 14.1, а). Если защита от перегрузки должна отключать электродвигатель и при обрыве фа­зы, то ее выполняют двухфазной. В защите можно применять та­кие же реле, какие используются для защиты электродвигателей от коротких замыканий. Включая реле через трансформатор тока, защиту можно сделать более чувствительной, используя в ней реле с более высоким коэффициентом возврата, чем у первичных реле.

Ток срабатывания реле выбирают, исходя из следующих тре­бований: реле не должно срабатывать в нормальном режиме рабо­ты электродвигателя, т. е.

I_с.р ≥ k_запk_сх⁽³⁾ I_{д. ном}/(k_ВK_I); (14.2)

реле должно срабатывать при пусках электродвигателя, т. е.

I_с.р ≤ 0,75 k_сх⁽³⁾ I_пск /K_I.

Недействие защиты в нормальном пусковом режиме обеспечивается выдержкой времени, превышающей время нормального пуска (не менее t = З с). При длительной перегрузке и при затянувшимся пуске реле времени успевает сработать и, размыкая контактом КТ цепь КМ катушки контактора, отключает электродвигатель.

Защита от перегрузки, выполняемая посредством электротепловых реле, обычно использует реле, встроенные в магнитный пускатель. Если электродвигатель подключается к сети через автоматический выключатель, то используют тепловые расцепители. Ток срабатывания расцепителя выбирается с учетом условий, изложенных в §5.5.

Как и в тепловом расцепителе автомата, основным элементом электротеплового реле является биметаллическая пластинка. В защищаемую цепь (фазу статора) электротепловое реле включается непосредственно или через трансформатор тока (для крупных электродвигателей).

Чтобы использовать электротепловые реле для защиты электродвигателя от работы на двух фазах, магнитный пускатель содержит два электротепловых реле (KST1 и KST2 на рис. 14.1,б). В отличие от рассматриваемых ниже специальных схем после обрыва фазы электротепловые реле отключают электродвигатель не мгновенно, а через некоторое время. Количество теплоты, выделяемой в реле, и количество теплоты, выделенной в электродвигателе, пропорционально квадрату тока, поэтому при полном соот­ветствии их тепловых характеристик рассматриваемая защита позволяет наиболее полно использовать перегрузочную способность электродвигателя. С помощью тепловых реле наиболее удовлетворительно защищаются от перегрузки электродвигателя длительного режима работы.

Номинальный ток электротеплового реле I_р.ном и номинальный ток его сменного нагревателя I_нг.ном выбирают, исходя из номинального тока электродвигателя:

I_р.ном ≥ I_нг.ном ≈ I_д.ном/K_I            (14.3)

Для настраиваемых реле одной из характеристик является номинальный ток уставки I_у.ном. Это наибольший длительный ток, который при данной настройке реле не вызывает его срабатывания. Для таких реле должно соблюдаться условие I_у.ном ≥ I_нг.ном > I_д.ном / K_I.

При настройке реле серий ТРП и ТРН ток уставки может изменяться в пределах I_у.ном = (0,75÷1,25) I_нг.ном, поэтому для них

I_у.ном ≥ (0,75 K_I) > I_нг.ном > I_д.ном / (1,25K_I)   (14.4)

При коротком замыкании нагреватель реле может перегореть раньше, чем реле отключит электродвигатель. Поэтому в большинстве случаев защита с электротепловыми реле устанавливается только при наличии быстродействующей защиты от коротких замыканий, например плавких предохранителей [83].

Температурная защита [23, 83] использует измерительные пре­образователи (датчики) нагрева обмоток электродвигателя: тем­пературные реле и терморезисторы, встраиваемые в лобовые части обмотки статора или вблизи от нее. Основным элементом темпера­турного реле является биметаллическая мембрана. Нагреваясь теплотой обмотки статора, она при определенной температуре скачкообразно изменяет направление изгиба и размыкает контак­ты, включенные в цепь катушки контактора [14].

Для электродвигателей, используемых в сельскохозяйственном производстве, разработаны схемы температурной защиты на осно­ве терморезисторов [23]. Одна из них типа УВТЗ-2 показана на рис. 14.2. Исполнительным элементом устройства является реле постоянного тока KL, в цепь обмотки которого включены последо­вательно соединенные между собой позисторы RK, встроенные в обмотки фаз электродвигателя. Питание реле осуществляется через стабилизированный выпрямитель, состоящий из диода VD1, резистора R1, стабилитрона VD2 и конденсатора С1. При допу­стимых температурах обмоток сопротивление позисторов не пре­вышает R = 150÷450 Ом и реле KL находится в состоянии после срабатывания, замыкая своим контактом цепь катушки КМ кон­тактора. В аварийных режимах, когда температура обмотки элек­тродвигателя достигает установленного значения, сопротивление позисторов резко возрастает, ток в обмотке реле уменьшается и оно возвращается в исходное состояние, размыкая цепь катушки контактора. Электродвигатель отключается.

 

 

Рис. 14.2. Температурная защита.

 

                                                                          Рис. 14.3. Защита от обрыва фазы               

В системах электроснабжения напряжением до 1000 В обрыв нулевого провода недопустим, так как при этом нарушается связь между корпусом электрооборудования и заземленной нейтралью электроустановки и это может привести к поражению людей электрическим током. Устройство УВТЗ-2 является защитой и от об­рыва нулевого провода. При обрыве напряжение на обмотке ре­ле KL исчезает и электродвигатель отключается. Несмотря на многообразие схем и принципов выполнения защиты от пере­грузки, требуется дальнейшая работа по ее усовершенствованию. Необходимо более полное согласование характеристики защиты с тепловой перегрузочной характеристикой двигателя. Имеется ряд предложений (например, [82]) по созданию такой защиты на основе полупроводниковых элементов.

Защита от обрыва фазы — если для электродвигателя, защи­щаемого предохранителями (или подключенного к сети с такой защитой), возникает необходимость в защите от обрыва фазы, то она может выполняться по одной из схем, показанных на рис. 14.3

[83]. В первой схеме (рис. 14.3, а) при перегорании одного из предохранителей F1— F3 на обмотке соответствующего реле кон­троля обрыва фазы KS1— KS3 возникает напряжение, реле своим размыкающим контактом KS1—KS3 разрывает цепь самоудержи­вания контактора КМ и электродвигатель отключается. Во второй схеме (рис. 14.3,6) применены реле тока КА1—КАЗ, обмотки ко­торых выбираются по номинальному току электродвигателя, а то­ки отпускания — меньше тока холостого хода электродвигателя. При нормальном пуске реле времени КТ не успевает срабатывать и его контакт не размыкает цепь самоудерживания контакто­ра КМ. После исчезновения тока в одной из фаз реле КТ отклю­чает электродвигатель. В третьей схеме (рис. 14.3, б) использовано одно реле KV(KA), реагирующее на смещение нейтрали обмотки статора при обрыве фазы. При этом может использоваться или реле напряжения KV, имеющее уставку U _с.р≈0,3U_ном, или реле тока КА с уставкой I_с.р < 0,3I_{д ном}. По такой схеме можно вклю­чить и обмотку максимального расцепителя (если электродвига­тель подключается к сети через автомат).

Отметим, что в эксплуатации находятся и другие схемы защи­ты от обрыва фазы, разработанные непосредственно на промыш­ленных предприятиях. В таком устройстве обычно совмещается защита от обрыва фазы и перегрузки (см., например, [84]).

Минимальная защита напряжения и автоматика асинхронных электродвигателей. Минимальная защита напряжения может быть осуществлена, если электродвигатель включается в сеть через ав­томатический выключатель, контактор или магнитный пускатель. При этом в ряде случаев дополнительное реле не требуется, так как схема управления аппаратом уже содержит элементы мини­мальной защиты напряжения. Такой, например, является схема управления магнитным пускателем, показанная на рис. 14.1, так как исчезновение или снижение напряжения на катушке КМ маг­нитного пускателя приводит к его отключению. При восстановле­нии напряжения пускатель автоматически включиться не может. Для этого нужно нажать на кнопочный выключатель SB1.

Если в цепях управления используется ключ SA с фиксиро­ванными положениями (рис. 14.4, а) или цепи управления подключаются к независимому источнику питания (рис. 14.4,6), то для минимальной защиты напряжения применяется реле напря­жения KV, которое может размыкать цепь удерживающей катуш­ки КМ контактора при напряжении U = (0,25—0,7) (7ном (в зави­симости от типа реле и его уставки). Причем в схеме (рис. 14.4, а) контактор после восстановления напряжения автоматически вклю­чается, производя автоматическое повторное включение электро­двигателя.

Рис. 14.4. Минимальная защита напряжения электродвигате­лей напряжением до 1000 В

 

Для ответственных электродвигателей схемы управления, за­щиты и автоматики обычно выполняются так, что повторное вклю­чение контактора или пускателя обеспечивается лишь при восста­новлении напряжения в течение заданного времени. В схеме, по­казанной на рис. 14.4, в, выдержку времени создает реле KL, имеющее замедление на возврат. Недостатком этой схемы явля­ется то, что при оперативном отключении электродвигатель от­ключается не сразу после нажатия на кнопочный выключатель SB2; длительность нажатия должна быть больше выдержки вре­мени, создаваемой реле KL.

Одна из схем, не имеющих указанного недостатка, приведена на рис. 14.4, г. В схеме применены двухпозиционное реле фикса­ции команды KQ, получающее питание от независимого источника переменного оперативного тока, и реле времени КТ, начинающее отсчет времени при снятии напряжения с его обмотки (реле типа ЭВ-235). Обмотка реле К.Т питается от силовой сети. При подаче команды на включение реле KQ переключается и включает контак­тор КМ. Вспомогательный контакт КМ2 контактора подает пита­ние на обмотку реле КТ. При исчезновении напряжения в силовой сети контактор КМ отключается, а реле КТ начинает отсчет вре­мени. Если восстановление напряжения происходит раньше замы­кания контакта реле КТ, то через контакты непереключившегося реле KQ на обмотку КМ контактора подается напряжение и элек­тродвигатель включается. Если перерыв питания длительный, то контакт реле КТ замыкается и переключает реле KQ в положение, не допускающее повторный пуск электродвигателя при последую­щем восстановлении напряжения.

Некоторые из рассмотренных схем минимальной защиты на­пряжения одновременно выполняют функции устройств АПВ, так как допускают повторное включение электродвигателей при вос­становлении напряжения. Поэтому такие схемы часто называют схемами АПВ электродвигателей. Схему, показанную на рис. 14.4, а, можно назвать схемой АПВ постоянного действия, а схемы, при­веденные на рис. 14.4, в, г, — схемами АПВ с действием в течение заданного времени. Устройство АПВ постоянного действия вклю­чает электродвигатель и при подключении его к сети через кон­тактор с защелкой, однако функций минимальной защиты напря­жения такой контактор не выполняет. Приведенные схемы не ис­черпывают всего многообразия устройств АПВ, применяемых на промышленных предприятиях. Многие из этих устройств выполне­ны на полупроводниках [85].

Если по условиям технологического процесса требуется автома­тическое включение резервного электродвигателя, то схему АВР можно выполнить также на кон­такторах или магнитных пускате­лях. Для примера на рис. 14.5 по­казана комбинированная схема АПВ—АВР электродвигателей низкого напряжения. Взаимно ре­зервируемые электродвигатели M1 и М2 присоединены к разным источникам питания ИП1 и ИП2 через магнитные пускатели КМ1 и КМ2, схемы управления кото­рыми подключены, например, к фазам В и С источников питания (b₁, c₁ и b₂, c₂ ). Для выбора ра­бочего и резервного электродви­гателей служит ключ SA.

Рис. 14.5. Комбинированная схема ус­тройства АПВ-АВР электродвигате­лей напряжением до 1000 В

Если, например, электродвига­тель M1 является рабочим (кон­такт SA1 разомкнут, a SA2 замк­нут), а М2 — резервным, то после исчезновения напряжения источ­ника питания ИП1 магнитный пускатель КМ1 отключает элек­тродвигатель Ml. При этом одновременно начинают отсчет вре­мени реле KL1 с задержкой на отпускание якоря (реле, раз­решающее АПВ) и реле КТ2 (реле, осуществляющее АВР). Вы­держка времени реле KL1 составляет около t₁ == 1,3 с, а реле КТ2 — около t₂ = 2 с. В зависимости от того, на какое время нарушилось электроснабжение (менее 1,3 с или более), происхо­дит АПВ электродвигателя Ml или АВР электродвигателя М2.

При АВР схема действует в следующем порядке: замыкается кон­такт К.Т2, срабатывает реле K. L2, контактом KL2 подается питание на катушку магнитного пускателя К.М2, и он включает резервный электродвигатель М2.

Если электродвигатель Ml отключается защитой (автоматом SF1 или электротепловыми реле KST1), то происходит только АВР электродвигателя М2. Схемы УАПВ и УАВР электродвигателей на основе автоматов SF почти не применяются, так как большин­ство типов автоматов не имеет приводов для их дистанционного включения.

Защита с использованием полупроводниковых элементов. Стремление исполь­зовать для защиты электродвигателей низкого напряжения наиболее простые элементы сдерживало применение полупроводников. Однако прогрессивная тен­денция бесконтактного выполнения схем автоматизации проявилась и в разра­ботке новых устройств управления низковольтными электродвигателями и их защиты. Отдельные образцы таких устройств уже находятся в опытной эксплуа­тации.

С использованием полупроводников выполнена, например, так называемая аналоговая защита электродвигателей [86]. Известно, что процессы нагрева электродвигателя и заряда конденсатора в активно-емкостной цепи описываются одними и теми же уравнениями. Это позволяет создать достаточно простую ма­тематическую модель (аналог) нагрева электродвигателя, которая используется для его защиты от перегрева. Аналог состоит из трансформатора тока, квадра­тора, создающего напряжение, пропорциональное квадрату тока электродвигате­ля, и резисторно-конденсаторной цепи. Напряжение на конденсаторе пропорцио­нально температуре электродвигателя. После усиления это напряжение подается на исполнительное реле, отключающее электродвигатель при опасном перегреве. По сравнению с защитой, выполненной на тепловых реле, аналоговая защита имеет большее соответствие защитных характеристик тепловым характеристикам электродвигателей. Поэтому она защищает электродвигатель от перегрузок во всех режимах работы.

Для электродвигателей, работающих с частым пуском, магнитные пускатели оказываются мало пригодными из-за быстрого механического износа. Освоение промышленного выпуска тиристоров большой мощности позволило разработать на их основе тиристорные выключатели - бесконтактные аналоги магнитных пус­кателей, не подверженные износу [87]. Особенностью тиристорного выключателя является то, что устанавливаемая на нем защита должна защищать не только электродвигатель, но и тиристоры. Защита должна быть быстродействующей, чтобы не допустить длительного прохождения по тиристорам тока к.з. Поэтому она, как и силовая часть выключателя, выполняется бесконтактной.

Управление и защита электродвигателей постоянного тока. За­щита электродвигателей постоянного тока от коротких замыканий, перегрузок и понижений напряжения осуществляется аналогично соответствующим защитам асинхронных двигателей. Схема управ­ления и защиты электродвигателя постоянного тока средней мощ­ности с независимым возбуждением приведена на рис. 14.6, о, б. В этой схеме контактор К.М1 служит для подключения цепи якоря к источнику питания в момент пуска, а контактор КМ2 — для за­корачивания пускового реостата К_пск. После того как электродви­гатель наберет обороты, его пусковой ток уменьшится, а создавае­мая якорем

противо-ЭДС станет достаточной для срабатывания контактора КМ2. Так как коэффициент возврата контакторов постоянного тока очень низок (k_в = (0,1¸0,15), то контактор К.М1 для минимальной защиты напряжения непосредственно использо­вать нельзя, поэтому защита выполнена с помощью реле напря­жения KV. Вспомогательный контакт контактора К.М1.3 (в цепи катушки К.М2) осуществляет защиту электродвигателя от запуска с закороченным пусковым реостатом в случаях, когда запуск осу­ществляется вскоре после его отключения. Отсутствие этого кон­такта привело бы к длительному удерживанию контактора КМ2 за счет противо-ЭДС якоря, вращающегося по инерции после от­ключения питания.

Цепь якоря и цепи управления защищены от коротких замыка­ний плавкими предохранителями F - F3, а для защиты якоря от перегрузок служит реле тока КА. При обрыве цепи обмотки воз­буждения LM срабатывает реле обрыва поля K. S и электродвига­тель отключается.