Автоматы защиты электродвигателей

Автоматы защиты электродвигателей

Доброго дня, уважаемые читатели блога nasos-pump.ru

Автоматы защиты двигателя

В рубрике «Общее» рассмотрим автоматы защиты асинхронных электродвигателей переменного тока. Как следует из названия, автоматы защиты электродвигателей предназначены для защиты и запуска электрических двигателей. Отключение этого устройства происходит при превышении номинального тока или короткого замыкания в двигателе. В автомате защиты предусмотрена температурная компенсация, позволяющая исключить влияние внешней температуры на работу изделия. Второе назначение автоматов защиты – это использование их в качестве аварийного или главного выключателя. Номинальный ток двигателя при определенном напряжении указывается на фирменной табличке, прикрепленной к двигателю. Величина номинального тока также зависит от схемы включения двигателя в электрическую цепь, звезда или треугольник. Приводные устройства в автоматах защиты электродвигателей могут быть выполнено в виде кнопок (Пуск – Стоп), или поворотной ручки (Вкл. – Откл.). Автоматы защиты двигателей при комплексной защите оборудования могут монтироваться совместно с контакторами, пускателями, частотными преобразователями, устройствами плавного пуска и т. д. На рынке присутствует огромное количество разнообразных моделей от различных фирм производителей автоматов защиты двигателей.

Отличия автоматов защиты двигателя от обычных автоматов

1. Токовая характеристика автомата защиты настроена с учетом пусковых токов, возникающих при запуске асинхронных электрических двигателей переменного тока.
2. Предусмотрена температурная компенсации. Автоматы защиты двигателей комплектуются термомагнитынми расцепителями, которые включают в себя расцепитель тепловой – биметаллическую пластину и расцепитель электромагнитный. При изменении температуры внешней среды уставка теплового расцепителя, может значительно изменятся. Этого нельзя допускать, так как изменение температуры может привести к ложным срабатываниям автомата, или выходу двигателя из строя. Чтобы исключить влияние изменений температуры внешней среды на работу автомата защиты и предусмотрена температурная компенсация.
3. В конструкцию автоматов защиты заложена увеличенная предельная коммутационная способность, в связи с повышенными токами, возникающими при запуске электрических двигателей.
4. Автоматы защиты двигателя могут доукомплектовываться элементами, обеспечивающими дополнительную защиту двигателей или увеличивающие возможности построения гибкой автоматизированной системы.

Технические характеристики и принцип работы

Технические характеристики изделия рассмотрим на примере автоматов защиты электродвигателей серии MS производства концерна ETI Словения. Основные характеристики приведены в таблице.

Характеристики автоматов защиты серии MS

Для включения автомата защиты двигателя необходимо нажать вручную кнопку «START» или повернуть ручку в положение (Вкл.). Отключение автомата происходит вручную, при нажатия кнопки «STOP» или поворотом ручки в положение (Выкл.), а также автоматически в случае срабатывания термомагнитной или электромагнитной защиты. Электромагнитный расцепитель, имеющий фиксированную уставку 13 In осуществляет защиту от короткого замыкания, а защиту от перегрузки тепловой расцепитель. Электромагнитная защита состоит из катушки в которой находится подвижный сердечник и возвратной пружины. В случае протекания по катушке тока короткого замыкания происходит мгновенное втягивание сердечника, который воздействует на механизм свободного расцепления через отключающую рейку. Тепловая защита состоит из биметаллической пластины которая последовательно соединена с контактом. При протекании по пластине тока перегрузки происходит ее нагрев. Пластина начинает изгибаться воздействуя через отключающую рейку на механизма свободного расцепления. Чтобы компенсировать зависимость от температуры внешней среды, автоматы защиты электродвигателей снабжены биметаллическими температурными компенсаторами с прогибом в обратную сторону по отношению к биметаллическим пластинам. Коммутацию цепей в изделии выполняют не подвижные и подвижные контакты. Подвижные контакты подпирается пружиной, которая увеличивает усилие для скорейшего размыкания контактов. Необходимый ток защиты двигателя задается с помощью регулировочного диска. В пределах диапазона регулировки тока защиты и необходимо подбирать автомат для защиты электрического двигателя от перегрева. На автомате имеется кнопка «ТЕСТ» при помощи которой можно проверить работоспособности изделия. Автоматы защиты электродвигателей серии MS 25 рассчитаны на ток коммутации до 25 ампер, MS 32 до 32 ампер. В автоматах предусмотрена возможность тестирования, они реагируют на обрыв фазы. Автоматы защиты серии MS 25 имеют возможность регулировки тепловой защиты в 13 — диапазонах от 0,1А до 25А;

Монтаж и электрические схемы подключения автоматов

Автоматы защиты электрических асинхронных двигателей монтируются в электрическом шкафу находящимся в помещении защищенными от дождя, снега и других осадков. Монтаж и электрическое подключение автомата должен проводить квалифицированный электрик. Все работы по монтажу оборудования должны проводится согласно Правилам Устройства Электроустановок (ПУЭ) и в соответствии с требованиями местных норм и правил. Автоматические выключатели устанавливаются в электрический шкаф посредством крепления на DIN – рейку. Подсоединение автомата производится с помощью соединительных шин или кабелей. Напряжение питания подводится со стороны верхних контактов. На нижние клеммы подсоединяется нагрузка. Возможные схемы подключения изделия для трех фазной, двух фазной и однофазной нагрузки приведены на (Рис. 1).

Схемы включения автомата защиты двигателя

Эксплуатация обслуживание и ремонт автоматов

Для долгой и надежной эксплуатации автоматов защиты двигателей необходимо регулярно проводить плановые проверки осмотры и техническое обслуживание. Стандартное обслуживание предполагает очистку устройства от грязи и пыли, а также визуальный контроль контактов на отсутствие подгорания и перегрева. Первую подтяжку винтов рекомендуется провести через месяц после ввода автомата в эксплуатацию. Затем периодически следует проверять и при необходимости подтягивать зажимные винты крепящие подводящие кабели. Все работы по техническому обслуживанию изделия необходимо проводить при полностью обесточенном автомате. Если соблюдаются условия эксплуатации автомата, то в ремонте изделие не нуждается.

И в заключении хочется сказать следующее. Эксплуатация электрических двигателей без автоматов защиты очень часто приводит к выходу их из строя. Скачки напряжения, пропадание фазы, перегрузка двигателя, все это, как правило, приводят к перегреву и выгоранию обмотки(ок). Ремонт (перемотка статора) будет стоить дороже, чем один раз приобрести и установить автомат защиты двигателя. Это поможет Вам в дальнейшем сэкономить деньги которые требуются для дорогостоящего ремонта статора двигателя.

Устройства плавного пуска (софт-стартеры)

Устройства плавного пуска повышают экономичность работы электрических двигателей, защищают их и смежных потребителей от аварийных ситуаций. Софт-стартеры увеличивают срок безотказной работы ЭД, выигрывая в цене у частотных преобразователей.

Области применения устройств плавного пуска

Устройства плавного пуска применяются на производствах, использующих мощные электрические двигатели и иногда ограниченные по мощности промышленные сети. Примеры приложений:

• Строительство, добывающая и перерабатывающая промышленность (Насос для цемента, мешалка, миксеры, конвейеры и шнеки, компрессоры, мельницы)
• Машиностроение (Станки разных типов, дробилки, червячная и бумагорезательная машины)
• Системы водоснабжения (Погружной насос, лебедки)
• Сельское хозяйство и ЖКХ (Сепараторы, насосы)
• Металлургия (Электропривод)
• Пищевая промышленность
• Деревообработка (пилорама, ленточная и циркулярная пилы)
• Подъемно-транспортное оборудование (эскалаторы)
• Нефтехимическая индустрия
• Энергетика
• Электрические двигатели разных типов (синхронные, асинхронные)

Везде, где для производственных целей используется электрический двигатель, устройства плавного пуска (УПП) найдут себе оптимальное применение.

Назначение УПП

Устройства плавного пуска, выпускаемые в последние годы, решают все больше разных задач:

• Стабилизируют питающую сеть, защищая подключенное к ней чувствительное оборудование (контроллеры, компьютеры)
• Решают проблемы порчи продукции при рывках конвейеров
• Контролируют плавность пуска, торможения и останова двигателя:
  • Ограничение пусковых токов, формирование кривой разгона и торможения (задание рампы)
  • Согласование крутящего момента и момента нагрузки
• Защищают двигатели от:
  • Обрыва фаз и короткого замыкания
  • Перегрузки и недогрузки
  • Повышенного или пониженного напряжения, частоты сети
  • Блокировки ротора
  • Неправильного подключения, дисбалансов разных типов
  • Пробоя и перегрева
• Организуют системы управления и сбора информации
• Толчковый пуск
• Экономия энергии в специфических нагрузках (например в насосно-вентиляторной)

Исполнение ряда этих функций предотвращает аварийные ситуации, риск возникновения которых высок в отсутствие УПП.

Преимущества устройств плавного пуска

Основные достоинства устройств плавного пуска:

• Предельно быстрая реакция при отключении в аварийной ситуации
• Существенно повышают надежность и долговечность приводных устройств/агрегатов
• Полностью контролируют перегрузки двигателя и улучшают его защиту от неблагоприятных ситуаций, устраняют рывки и гидравлические удары
• Организуют АСУ, за счет оперативной диагностики облегчают ремонтные работы
• Защищают электрочувствительное оборудование от скачков мощности в сети
• Экономят энергию
• Дешевле частотных преобразователей

Модели приборов и аналоги

На рынке представлено множество моделей, различающихся своей функциональностью. Для примера отметим семейство CSX:

• CSX – устройство плавного пуска/останова трехфазных АД общепромышленного типа. Подключается к общепромышленной сети (200-440 В или 200-575 В), диапазон мощностей до 110 кВт. Габариты компактные (устройства на токи 60А устанавливаются на DIN-рейку).
• CSXi – отличается от собрата функционалом, добавлен комплекс функций защиты двигателя и контроль тока.

Недостатки

Основные недостатки устройств плавного пуска:

Защита от короткого замыкания.

Решение проблемы: частичное решение представляют собой специальные автоматы для защиты электродвигателей. + сами УПП устойчивы к определенным значениям токов КЗ (у CSX до 10 кА + доступны защитные предохранители). В иных случаях можно обратиться к частотным преобразователям.

Возможная несостыковка с вводными автоматами. Пусковой ток хоть и снижен, но держится дольше и может вызвать срабатывание автомата защиты сети.

Решение проблемы: Подбирайте вводной автомат с учетом тока плавного пуска, а не номинального и пускового в отсутствии УПП.

Принцип работы УПП

Принцип работы устройства плавного пуска заключается в ограничении подаваемого через него напряжения от сети на нагрузку/двигатель. На рисунке показан типовой случай подключения системы через входной автомат защиты. Алгоритмы передачи мощности настраиваются, а коммутация происходит при помощи управляемых силовых ключей (чаще всего – шунтируемых контактором тиристоров). При пуске двигателя происходит преобразование электрической энергии в кинетическую (по мере разгона ток падает в несколько раз до номинального). Софт-стартер, в свою очередь, ограничивает чрезмерно большой пусковой ток в начальной стадии, коммутируя тиристоры по заданному алгоритму и с учетом показаний датчиков.

Более подробно рабочие принципы рекомендуется рассмотреть на примере моделей CSX, EMX, SSI.

Автоматы защиты двигателей

2021-02-13 Промышленное 6 комментариев

Автоматы защиты двигателей, или по другому мотор-автоматы, предназначены в первую очередь для защиты электродвигателей от перегрева и последствий короткого замыкания, а также могут использоваться в качестве основного или аварийного выключателя. То есть по сути они совмещают в одном корпусе два устройства — автоматический выключатель и тепловое реле.

Ранее, до того как стали повсеместно применяться мотор-автоматы, для защиты двигателей использовались тепловые реле в паре с контактором.

По такой схеме тепловое реле, при превышении двигателем потребляемого тока нагрузки, размыкает цепь катушки контактора, отключая его силовые контакты и таким образом защищая двигатель. Схема рабочая, проверенная, но не лишенная недостатков. В первую очередь к ним стоит отнести неспособность тепловых реле защитить от КЗ, поэтому необходимо дополнительно использовать автоматические выключатели. Да и габариты такой конструкции из контактора и теплового реле получаются достаточно большими.

Поэтому с появлением автоматов защиты двигателей, тепловые реле стали отходить на второй план и на данный момент, их применение довольно ограничено.

Стоит сразу сказать, что по своим характеристикам, автоматы защиты двигателей несколько отличаются от обычных автоматических выключателей. В первую очередь тем, что:

1. Учитываются время-токовые характеристики. При запуске двигателя пусковой ток может значительно превышать номинальный ток двигателя. Если точнее, то пусковой ток можно рассчитать, зная номинальный ток двигателя и величину кратности пускового тока Кп ( коэффициент кратности пускового тока к номинальному значению — Iпуск/Iном). Данная характеристика указывается в технических характеристиках, на шильде двигателя она отсутствует. I пуск = Iн х Кп. Например, при номинальном токе двигателя 20 А и кратности пускового тока 6, пусковой ток будет составлять 120 А. При таком токе обычный автоматический выключатель с время-токовой характеристикой B (ток отключения электромагнитной защиты от 3·In до 5·In, где In — номинальный ток) или С (от 5·In до 10·In) может отключится по электромагнитной защите. Автоматы защиты двигателей имеют уставку срабатывания электромагнитного расцепителя в зависимости от номинала, составляющую от 7,5 до 17,5 In.
2. Все мотор-автоматы имеют температурную компенсацию (примерно от -25 до +60 °C) для того, чтобы исключить влияние внешней температуры на работу автомата, так как при изменении окружающей температуры может изменятся уставка теплового расцепителя, что может в свою очередь привести к ложным срабатываниям.
3. Предельная отключающая способность (максимальный ток КЗ, при котором аппарат способен отключить нагрузку) автоматов защиты двигателя значительно выше (25-100кА), чем у стандартных автоматических выключателей — 4,5 — 6кА.
4. Регулируемая настройка теплового расцепителя, в зависимости от номинала двигателя.

Принцип работы автомата защиты двигателей

Электромагнитный расцепитель выполнен в виде катушки соленоида, внутри которой расположен стальной сердечник с возвратной пружиной. Под действием электрического тока короткого замыкания сердечник втягивается в катушку, преодолевая сопротивление пружины и воздействует на механизм расцепления, в следствии чего контакты размыкаются.

Принцип работы тепловых расцепителей автомата такой же, как у тепловых реле. Имеется биметаллическая пластина, состоящая из двух пластин, которые сделаны из материалов с разными коэффициентами теплового расширения. Под воздействием высокой температуры, возникающей в следствии прохождения тока, превышающего номинальный, пластина начинает изгибаться, давить на механизм расцепителя и под действием пружины происходит размыкание контактов, тем самым обесточивается цепь.

Сразу после срабатывания защиты, вновь включить автомат не получится, таким образом обеспечивается выдержка времени для охлаждения двигателя после его аварийного останова.

Уставка срабатывания задается при помощи поворотного регулятора на лицевой части.

Необходимый ток уставки выставляется вращением регулятора до совмещения нужного значения тока на шкале с риской на корпусе.

Схема подключения автомата защиты двигателей

Автоматический выключатель следует устанавливать перед другими аппаратами в цепи. Это позволяет защитить не только сам двигатель, но и например, контактор от повреждения в случае перегрузки или короткого замыкания. Также, как и в случае автоматических выключателей, автомат защиты двигателей можно дополнительно оснастить вспомогательными контактами (контакты состояния, аварийный контакт), которые можно задействовать, например, для индикации состояния.

В случае подключения трехфазной нагрузки схема подключения стандартная и не вызывает вопросов, а вот в случае однофазной нагрузки (стоит отметить, что все мотор автоматы выпускаются только в трехполюсном исполнении), иногда встречаюсь с подключением, когда просто задействуют один силовой контакт автомата защиты. Но такое подключение неправильное, необходимо, как на рисунке ниже слева, задействовать все три контакта.

Кстати, обратите внимание, что автомат защиты двигателя имеет свое условно-графическое обозначение в схемах, отличающееся от обозначения обычных автоматических выключателей. А вот буквенное обозначение у них идентично.

Основные функции защиты

• Защита от токов короткого замыкания в цепи питания или внутри электродвигателя;
• Защита от длительных перегрузок, связанных с превышением механической нагрузки на валу двигателя;
• Защита от асимметрии фаз и обрыва фазного провода;
• Тепловая защита от перегрева двигателя;
• Обеспечение выдержки времени для охлаждения двигателя после его аварийной остановки после перегрева;
• Индикация режимов работы и аварийных состояний;

Выбор автомата защиты

В случае прямого запуска, когда двигатель включается в работу с помощью мотор-автомата и контактора, необходимо в первую очередь знать его мощность. Эту информацию можно найти либо в технических характеристиках на двигатель, либо в паспортных данных, которые указаны на шильде.

Следующим шагом подбираем автомат, исходя из номинальной мощности двигателя. У различных фирм-производителей можно найти таблицы характеристик, где указаны номинальный рабочий ток и диапазон регулировки автоматов защиты в зависимости от мощности двигателя. В частности, на рисунке ниже приведена таблица соответствия автоматов защиты двигателей компании Allen Bradley.

И последним этапом выставляем необходимый ток отключения при помощи регулятора диапазона. Обычно указывается, что он должен быть больше или равен номинальному току электродвигателя. Но желательно, чтобы ток срабатывания защиты превышал на 10-20% номинальный ток двигателя.

То есть в случае, если номинальный ток двигателя составляет например 10 А, умножаем это значение на 1,1. Получаем 11 А. Это значение тока и выставляем регулятором.

И еще хотел сказать пару слов о конструктивном исполнении мотор автоматов. В первую очередь следует отметить, что по способу управления существует два типа автоматов — кнопочные и с поворотным выключателем. Также клеммы могут быть либо винтовые, либо с пружинным контактом ( применяются для двигателей, мощностью до 2 кВт). Можно еще отметить наличие кнопки Тест на лицевой стороне корпуса, позволяющей имитировать срабатывание защиты автомата для проверки его работоспособности.

И в заключении хотел отметить, что эксплуатация двигателей без защитных устройств часто приводит к их выходу из строя, в следствии перегрузки, обрыва фазы, скачков напряжения и т.д. А это в свою очередь приводит к финансовым затратам, простою оборудования. Поэтому автоматы защиты двигателей являются необходимым элементом и не стоит на них экономить, тем более, что цены на них на данный момент вполне приемлемые.

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.