Надежная и бесперебойная работа двигателя обеспе­чивается в первую очередь правильным выбором его номинальной мощности, соблюдением необходимых тре­бований при проектировании электрической схемы, монтаже и эксплуатации электропривода. Однако даже для правильно спроектированных и эксплуатируемых электроприводов всегда остается опас­ность возникновения аварийных и ненормальных для двигателя режимов. На этот случай должны быть предусмотрены средства для ограничения развития ава­рий и предотвращения преждевременного выхода оборудования из строя.

Главным и наиболее действенным средством являет­ся электрическая защита двигателей, выпол­няемая в соответствии с Правилами устройства электро­установок.

В зависимости от характера возможных поврежде­ний и ненормальных режимов работы, различают несколько основных наиболее распространенных видов электрической защиты асинхронных двигателей.

Максимально-токовая защита, именуемая в дальнейшем для краткости максимальной защитой. Аппараты, осуществляющие максимальную защиту (плавкие предохранители, авто­матические выключатели с электромагнитным расцепителем), практически мгновенно, т. е. без выдержки вре­мени, отключает двигатель от сети при появлении в главной цепи или в цепи управления токов короткого замыкания или ненормально больших толчков тока.

Защита от перегрузки, или тепловая защита, предохраняет двигатель от недопустимого перегрева при сравнительно небольших по величине, но продолжительных перегрузках. Аппараты тепловой за­щиты ( , автоматические выключатели с тепловым расцепителем) при возникновении перегруз­ки отключают двигатель с определенной выдержкой вре­мени, тем большей, чем меньше перегрузка.

Защита от работы на двух фазах предохраняет двигатель от недопустимого перегрева, который может наступить вследствие обрыва провода или перегорания предохранителя в одной из фаз глав­ной цепи. Защита действует на отключение двигателя. В качестве применяются как тепло­вые, так и электромагнитные реле. В последнем случае защита может не иметь выдержки времени.

Защита минимального напряжения (нулевая защита) выполняется с помощью одного или нескольких аппаратов, действует на отключение дви­гателя при снижении напряжения сети ниже установленного значения, предотвращая возможный перегрев двигателя и опасность его «опрокидывания», т. е. оста­новки вследствие снижения электрического момента. Нулевая защита предохраняет также двигатель от само­произвольного включения после перерыва питания.

Кроме того, существуют и некоторые другие, реже встречающиеся виды защиты (от повышения напряже­ния, однофазных замыканий на землю в сетях с изоли­рованной нейтралью, увеличения скорости вращения привода и т. п.).

Аппараты электрической защиты могут осуще­ствлять один или сразу несколько видов защиты. Так, некоторые автоматические выключатели с комбиниро­ванным расцепителем обеспечивают максимальную за­щиту, защиту от перегрузки и от работы на двух фазах.

Одни из аппаратов защиты, например плавкие предохранители, являются аппаратами однократного действия и требуют замены после каждого срабатыва­ния. Другие, такие как электромагнитные и тепловые реле, - аппараты многократного действия. Последние различаются по способу возврата в состояние готовности на аппараты с самовозвратом и с ручным воз­вратом.

Выбор того или иного вида защиты или нескольких одновременно производится в каждом конкретном слу­чае с учетом степени ответственности привода, его мощ­ности и условий работы. Большую пользу могут при­нести анализ данных по аварийности электрооборудова­ния в цехе, на строительной площадке, в мастерской и т. п. определение наиболее часто повторяющихся на­рушений нормальной работы двигателей и технологиче­ского оборудования.

Существенное значение имеют правильный выбор и настройка аппаратов защиты. Например, иногда наблю­дается повышенный выход из строя двигателей из-за работы на двух фазах вследствие сгорания плавкой вставки в одной фазе. Но во многих случаях сгорание вставки происходит не в результате однофазного корот­кого замыкания (пробоя на корпус), а вызвано непра­вильным выбором вставок, установкой в разных фазах случайно найденных предохранителей с разными токами расплавления вставок.

Опыт многих предприятий пока­зывает, что при высоком качестве ремонта двигателей, тщательном выполнении монтажа, надлежащем уходе за контактами пускателей и контакторов и правильном выборе плавких вставок работа двигателей на двух фа­зах практически исключается и установки специальной защиты не требуется.

Перегрузка электродвигателя возникает в следующих случаях:

• при затянувшемся пуске или самозапуске;
• по технологическим причинам у механизмов с колеблющейся нагрузкой (подъемники, прокатные станы и т.д.);
• при перегрузке механизма, возникающей на угольных мельницах и дробилках при поступлении в них сырого угля и на других механизмах подобного типа;
• в результате обрыва одной фазы;
• при повреждении механической части электродвигателя или механизма, вызывающем увеличение момента М с и торможение электродвигателя.

Перегрузки бывают устойчивыми и кратковременными.

Для электродвигателя опасны только устойчивые перегрузки.

Сверхтоки, обусловленные пуском или самозапуском электродвигателя, кратковременны и самоликвидируются при достижении нормальной скорости вращения. Эти токи могут представлять опасность, только если процесс развертывания электродвигателя затянется или если при самозапуске окажется, что М д. нач. < М с. нач. . В последнем случае электродвигатель развернуться не сможет и длительно будет обтекаться пусковым током.

Значительное увеличение тока электродвигателя получается также при обрыве фазы, что встречается только у электродвигателей, защищаемых предохранителями, при перегорании одного из них. При номинальной загрузке в зависимости от параметров электродвигателя увеличение тока статора при обрыве фазы будет составлять примерно (1,6÷2,5) I ном. Эта перегрузка носит устойчивый характер. Также устойчивый характер носят сверхтоки, обусловленные механическими повреждениями электродвигателя или вращаемого им механизма и перегрузкой механизма.

Основной опасностью сверхтоков для электродвигателя является сопровождающее их повышение температуры отдельных частей и в первую очередь обмоток.

Повышение температуры ускоряет износ изоляции обмоток и снижает тем срок службы электродвигателя.

Перегрузочная способность электродвигателя определяется характеристикой зависимости между величиной сверхтока и допускаемым временем его протекания:

t=T a-1/k 2 -1

где t – допустимая длительность перегрузки, сек;

T – постоянная времени нагрева, сек;

a – коэффициент, зависящий от типа изоляции двигателя, а также периодичности и характера сверхтоков; для асинхронных электродвигателей в среднем а=1,3;

k – кратность сверхтока – отношение данного тока к номинальному току двигателя, т.е. k=I/I ном

Прежде защита от перегрузки устанавливалась с действием на отключение на всех электродвигателях, что приводило в ряде случаев к неправильным отключениям электродвигателей.

В настоящее время при решении вопроса об установке защиты от перегрузки на электродвигателе руководствуются условиями его работы:

• на электродвигателях механизмов, не поврежденных технологическим перегрузкам (например, электродвигателях циркуляционных, питательных насосов и т.п.) и не имеющих тяжелых условий пуска или самозапуска, защита от перегрузки не устанавливается.
• на электродвигателях, подверженных технологическим перегрузкам (например, электродвигателях мельниц, дробилок, багерных насосов и т.п.), а также на электродвигателях, самозапуск которых не обеспечивается, защита от перегрузки должна устанавливаться.
• защита от перегрузки выполняется с действием на отключение в случае, если не обеспечивается самозапуск электродвигателя или с механизма не может быть снята технологическая перегрузка без остановки электродвигателя.
• защита от перегрузки электродвигателя выполняется с действием на разгрузку механизма или сигнал, если технологическая перегрузка может быть снята с механизма автоматически или вручную персоналом без остановки механизма и электродвигатели находятся под наблюдением персонала.
• на электродвигателях механизмов, могущих иметь как перегрузку, устраняемую при работе механизма, так и перегрузку, устранение которой невозможно без остановки механизма, целесообразно предусматривать действие защиты от сверхтоков с меньшей выдержкой времени на разгрузку механизма (если это возможно) и большей выдержкой времени на отключение электродвигателя. Ответственные электродвигатели собственных нужд электрических станций находятся под постоянным наблюдением дежурного персонала, поэтому защита их от перегрузки выполняется преимущественно с действием на сигнал.

Защиту электродвигателей, подверженных технологической перегрузке, желательно иметь такой, чтобы она, с одной стороны, защищала от недопустимых перегрузок, а с другой-давала возможность наиболее полно использовать перегрузочную характеристику электродвигателя с учетом предшествовавшей нагрузки и температуры окружающей среды.

ФPAГMEHT КНИГИ (...) ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ВЫБОР СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ
Анализ режимов работы асинхронного двигателя показывает, что в производственных условиях могут быть разнообразные аварийные ситуации, влекущие за собой разные последствия для двигателя. Средства защиты не обладают достаточной универсальностью для того, чтобы во всех случаях, независимо от причины и характера аварийного режима, отключить двигатель при возникновении любой опасной для него ситуации. Каждый аварийный режим имеет свои особенности. Применяемые в настоящее время защитные аппараты имеют недостатки и достоинства, проявляющиеся в определенных условиях. Следует также принимать во внимание и экономическую сторону вопроса. Выбор средств защиты должен опираться на технико-экономический расчет, в котором необходимо учитывать стоимость самого защитного аппарата, затраты на его эксплуатацию, величину ущерба, который наносит авария двигателя. При этом следует иметь в виду, что надежность действия защиты зависит также от характеристик рабочей машины и режима ее работы. Наибольшей универсальностью обладает температурная защита. Но она стоит дороже, чем другие средства защиты, и сложнее по устройству. Поэтому ее применение оправдано в тех случаях, когда другие виды защиты либо не могут обеспечить надежную работу, либо защищаемая установка предъявляет повышенные требования к надежности действия защиты, например из-за большого ущерба при аварии двигателя.
Тип защитного аппарата следует выбирать при проектировании технологической установки с учетом всех особенностей ее работы. Эксплуатационный персонал должен получать укомплектованное всем необходимым оборудование. Однако в некоторых случаях при переоборудовании или перестройке технологической линии
эксплуатационному персоналу нео ходимо самому решать вопрос, какой тип защиты целесообразно применить в конкретном случае. Для этого необходимо проанализировать возможные аварийные режимы установки и выбрать требуемый защитный аппарат. В настоящей брошюре мы не будем подробно рассматривать методику выбора защиты двигателей от перегрузки. Ограничимся лишь некоторыми рекомендациями общего характера, которые могут быть полезны для эксплуатационного персонала сельских электроустановок.
Прежде всего необходимо установить характерные для данной установки аварийные режимы. Одни из них возможны во всех установках, а другие только в некоторых. Перегрузки при потере фазы независимы от рабочей машины, они могут возникать во всех установках. Тепловые реле и встроенная температурная защита вполне удовлетворительно выполняют защитные функции при этом виде аварийного режима. Применение специальной защиты от потери фазы дополнительно к защите от перегрузки должно быть обосновано. В большинстве случаев она не требуется. Достаточны тепловые реле и температурная защита. Необходимо систематически проверять их состояние и регулировать. Лишь в тех случаях, когда авария двигателя может привести к большому ущербу, можно использовать специальную защиту от перегрузки при потере фазы.
Тепловые реле недостаточно эффективны как средство защиты от перегрузок при переменном (с большими колебаниями нагрузок), при повторно-кратковременном и кратковременном режимах работы. В этих случаях более эффективна встроенная температурная защита. В случае машин с тяжелым пуском также следует отдать предпочтение встроенной температурной защите.
Из имеющегося разнообразия средств защиты асинхронного двигателя широкое применение нашли только два устройства: тепловые реле и встроенная температурная защита. Эти два устройства являются конкурирующими при проектировании электроприводов сельскохозяйственных машин. Для выбора типа защиты проводят технико-экономический расчет по методу приведенных затрат. Не останавливаясь на точном расчете по этому методу, рассмотрим применение его основных положений для выбора наивыгоднейшего варианта защиты.
Предпочтение следует отдавать варианту, при котором будут наименьшие затраты на приобретение, монтаж и эксплуатацию рассматриваемых устройств. При этом должен быть учтен ущерб, который несет производство от недостаточной надежности действия защиты. Затраты, приведенные к одному году использования, определяют по формуле
где К - стоимость двигателя и защитного устройства, включая затраты на их транспортировку и монтаж;
кэ - коэффициент, учитывающий отчисления на амортизацию, обновление оборудования, ремонт;
Э - эксплуатационные расходы (стоимость обслуживания средств защиты, потребляемой электроэнергии и др.);
У - ущерб, который несет производство из-за отказа или неправильного действия защиты.
Величина ущерба складывается из двух слагаемых
где Ут - технологический ущерб, вызванный аварией двигателя (стоимость недоотпущенной или испорченной продукции);
Кд - стоимость замены вышедшего из строя двигателя и защитного устройства, включая затраты на демонтаж старого и монтаж нового оборудования;
р0 - вероятность отказа (неправильного действия) защиты, приведшего к аварии двигателя.
Эксплуатационные расходы значительно меньше остальных составляющих приведенных затрат, поэтому ими можно пренебречь в дальнейших расчетах. Стоимость двигателя со встроенной защитой и аппаратуры встроенной защиты больше стоимости обычного двигателя и теплового реле. Но первая из рассматриваемых защит более совершенна. Она действует эффективно практически при всех аварийных ситуациях, поэтому ущерб от ее неправильного действия будет меньше. Затраты на более дорогую защиту будут оправданы лишь в том случае, если ущерб снизится на величину большую, чем дополнительные затраты на более совершенную защиту.
Величина технологического ущерба зависит от характера технологического процесса и времени простоя оборудования. В отдельных случаях ее можно не учитывать. Это относится прежде всего к отдельно работающим установкам, простои которых на время устранения аварии не оказывают заметного влияния на все производство. По мере насыщения производства средствами механизации и -электрификации повышается уровень требований к надежности работы оборудования. Простои из-за неисправности электрооборудования приводят к большим ущербам, а в некоторых случаях становятся недопустимыми. Пользуясь некоторыми усредненными данными, можно определить сферу экономически оправданного применения более сложных устройств защиты.
Величина вероятности отказа защиты р0 зависит от конструкции и качества изготовления аппаратуры, а также от характера аварийного режима, в котором может оказаться двигатель. Как было показано выше, при некоторых аварийных режимах тепловые реле не обеспечивают надежное отключение двигателя. В этом случае лучше встроенная температурная защита. Опыт использования этой защиты показывает, что величину вероятности отказа этой защиты рвз можно принять равной 0,02. Это означает, что существует вероятность того, что из 100 таких устройств две могут не сработать, вследствие чего произойдет авария двигателя.
Пользуясь формулами (40) и (41), определим, при каком значении вероятности отказов тепловых реле ртр приведенные затраты будут одинаковыми. Это даст возможность оценить сферу применения того или иного устройства. Если пренебречь эксплуатационными затратами, можно написать
где индексы вз и тр соответственно означают встроенную защиту и тепловое реле. Отсюда получим
Для того чтобы представить порядок требуемого уровня надежности действия теплового реле, рассмотрим пример.
Определим предельно допустимое значение ртр теплового реле ТРН-10 с биметаллическими элементами в комплекте с двигателем А02-42-4СХ путем сравнения с вариантом применения двигателя А02-42-4СХТЗ с встроенной температурной защитой УВТЗ, для которого принимаем рвз=0,02. Технологический ущерб принимаем равным нулю. Стоимость двигателя с тепловым реле, включая затраты на транспортировку и монтаж, составляет 116 руб., а для варианта с защитой УВТЗ - 151 руб. Стоимость замены вышедшёго из строя двигателя А02-42-4СХ и теплового реле ТРН-10 с учетом затрат на демонтаж старого оборудования и монтаж нового составляет 131 руб., а для варианта с защитой УВТЗ - 170 руб. В соответствии с существующими нормативами принимаем кэ=0,32. После подстановки этих данных в уравнение (43) получим
Полученные величины характеризуют допустимые вероятности откэзое, выше которых применение тепловых реле экономически невыгодно. Аналогичные цифры получают для других двигателей небольшой мощности. Чтобы определить целесообразность применения рассматриваемых средств защиты, нужно сопоставить допустимые вероятности отказов с фактическими.
Отсутствие достаточных данных о фактических значениях не позволяют точно определить область эффективного применения рассмотренных защитных устройств путем прямого использования изложенного метода технико-экономического расчета. Однако, пользуясь результатами анализа режимов работы асинхронного двигателя и защитных устройств, а также некоторыми данными, косвенно характеризующими показатели требуемой надежности, можно наметить области предпочтительного использования того или иного вида защитного устройства.
Фактический уровень надежности действия защиты зависит не только от принципа ее действия и качества изготовления аппаратуры, но также и от уровня эксплуатации электрооборудования. Там, где налажено техническое обслуживание электрооборудования, несмотря на некоторые недостатки тепловых реле, уровень аварийности электродвигателей невысокий. Практика передовых хозяйств показывает, что при хорошо налаженном техническом обслуживании электроустановок ежегодный процент выхода из строя электродвигателей, защищенных тепловыми реле, можно снизить до 5% и ниже.
Однако следует заметить, что такой вывод справедлив только при рассмотрении общей картины. При рассмотрении некоторых конкретных условий предпочтение должно быть отдано другим устройствам защиты. Исходя из анализа режимов работы электропривода, можно указать ряд установок, для которых вероятность отказов тепловых реле будет высокой по причине недостатков принципа их действия.
1. Электроприводы машин, имеющих резкопеременную нагрузку (измельчители кормов, дробилки, пневмотранспортеры для загрузки силосной массы и т. п.). При больших колебаниях нагрузки тепловые реле не могут «моделировать» тепловое состояние двигателя, поэтому уровень фактических отказов тепловых реле в таких установках будет высоким.
2. Электродвигатели, работающие по схеме «треугольник». Их особенность заключается в том, что при обрыве одной из фаз питающей линии ток в оставшихся линейных проводах и фазах возрастает неодинаково. В наиболее нагруженной фазе ток растет быстрее, чем в линейных проводах.
3. Электродвигатели установок, работающих при повышенной частоте аварийных ситуаций, приводящих к остановке двигателя (например, транспортеры для уборки навоза).
4. Электродвигатели установок, простои которых наносят большой технологический ущерб.

При эксплуатации асинхронных электродвигателей, как и любого другого электрооборудования, могут возникнуть неполадки – неисправности, часто приводящие к аварийному режиму работы, повреждению двигателя. преждевременному выходу его из строя.

Прежде, чем перейти к способам защиты электродвигателей стоит рассмотреть основные и наиболее частые причины возникновения аварийной работы асинхронных электродвигателей:

• Однофазные и межфазные короткие замыкания – в кабеле, клеммной коробке электродигателя, в обмотке статора (на корпус, межвитковые замыкания).

Короткие замыкания – наиболее опасный вид неисправности в электродвигателе, т. к. сопровождается возникновением очень больших токов, приводящих к перегреву и сгоранию обмоток статора.

Частой причиной тепловой перегрузки электродвигателя, приводящей к ненормальному режиму работы является пропадание одной из питающих фаз. Это приводит к значительному увеличению тока (в два раза превышающего номинальный) в статорных обмотках двух других фаз.

Результат тепловой перегрузки электродвигателя – перегрев и разрушение изоляции обмоток статора, приводящее к замыканию обмоток и негодности электродвигателя.

Защита электродвигателей от токовых перегрузок заключается в своевременном обесточивании электродвигателя при появлении в его силовой цепи или цепи управления больших токов, т. е. при возникновении коротких замыканий.

Для защиты электродвигателей от коротких замыканий применяют плавкие вставки, электромагнитные реле, автоматические выключатели с электромагнитным расцепителем, подобранные таким образом, чтобы они выдерживали большие пусковые сверхтоки, но незамедлительно срабатывали при возникновении токов короткого замыкания.

Для защиты электродвигателей от тепловых перегрузок в схему подключения электродвигателя включают тепловое реле, имеющее контакты цепи управления – через них подаётся напряжение на катушку магнитного пускателя.

При возникновении тепловых перегрузок эти контакты размыкаются, прерывая питание катушки, что приводит к возврату группы силовых контактов в исходное состояние – электродвигатель обесточен.

Простым и надёжным способом защиты электродвигателя от пропадания фаз будет добавление в схему его подключения дополнительного магнитного пускателя:

Включение автоматического выключателя 1 приводит к замыканию цепи питания катушки магнитного пускателя 2 (рабочее напряжение этой катушки должно быть ~380 в) и замыканию силовых контактов 3 этого пускателя, через который (используется только один контакт) подаётся питание катушки магнитного пускателя 4.

Включением кнопки «Пуск» 6 через кнопку «Стоп» 8 замыкается цепь питания катушки 4 второго магнитного пускателя (её рабочее напряжение может быть как 380 так и 220 в), замыкаются его силовые контакты 5 и на двигатель подаётся напряжение.

При отпускании кнопки «Пуск» 6 напряжение с силовых контактов 3 пойдет через нормально разомкнутый блок-контакт 7, обеспечивая неразрывность цепи питания катушки магнитного пускателя.

Как видно из этой схемы защиты электродвигателя, при отсутствии по каким-то причинам одной из фаз напряжение на электродвигатель поступать не будет, что предотвратит его от тепловых перегрузок и преждевременный выход из строя.

Плавный пуск электродвигателей

Будни электрика. Защита трехфазного двигателя.

Защита двигателя от перегрузки

ВВЕДЕНИЕ

Электрические машины широко применяют на электрических станциях, в промышленности, на транспорте, в авиации, в системах автоматического управления и регулирования, в быту. Они преобразуют механическую энергию в электрическую (генераторы) и, наоборот, электрическую энергию в механическую.

Любая электрическая машина может использоваться как генератор, так и двигатель. Это её свойство называется обратимостью. Она может быть также использована для преобразования одного рода тока в другой (частоты, числа фаз переменного тока, напряжения) в энергию другого вида тока. Такие машины называются преобразователями. Электрические машины в зависимости от рода тока электрической установки, в которой они должны работать, делятся на машины постоянного тока и машины переменного тока. Машины переменного тока могут быть как однофазными, так и многофазными. Наиболее широкое применение получили асинхронные двигатели и синхронные двигатели и генераторы.

Принцип действия электрических машин основан на использовании законов электромагнитной индукции и электромагнитных сил.

Электрические двигатели, используемые в промышленности, быту выпускают сериями, которые представляют собой ряд электрических машин возрастающей мощности, имеющих однотипную конструкцию и удовлетворяющих общему комплексу требований. Широко применяются серии специального назначения.

Защита электродвигателей. Схема защиты электродвигателя

При эксплуатации асинхронных электродвигателей, как и любого другого электрооборудования, могут возникнуть неполадки - неисправности, часто приводящие к аварийному режиму работы, повреждению двигателя. преждевременному выходу его из строя.

Рис.1

Прежде, чем перейти к способам защиты электродвигателей стоит рассмотреть основные и наиболее частые причины возникновения аварийной работы асинхронных электродвигателей:

· Однофазные и межфазные короткие замыкания - в кабеле, клеммной коробке электродигателя, в обмотке статора (на корпус, межвитковые замыкания).

Короткие замыкания - наиболее опасный вид неисправности в электродвигателе, т. к. сопровождается возникновением очень больших токов, приводящих к перегреву и сгоранию обмоток статора.

· Тепловые перегрузки электродвигателя - обычно возникают, когда вращение вала сильно затруднено (выход из строя пошипника, попадание мусора в шнек, запуск двигателя под слишком большой нагрузкой, либо его полная остановка).

Частой причиной тепловой перегрузки электродвигателя, приводящей к ненормальному режиму работы является пропадание одной из питающих фаз. Это приводит к значительному увеличению тока (в два раза превышающего номинальный) в статорных обмотках двух других фаз.

Результат тепловой перегрузки электродвигателя - перегрев и разрушение изоляции обмоток статора, приводящее к замыканию обмоток и негодности электродвигателя.

Защита электродвигателей от токовых перегрузок заключается в своевременном обесточивании электродвигателя при появлении в его силовой цепи или цепи управления больших токов, т. е. при возникновении коротких замыканий. Для защиты электродвигателей от коротких замыканий применяют плавкие вставки, электромагнитные реле, автоматические выключатели с электромагнитным расцепителем, подобранные таким образом, чтобы они выдерживали большие пусковые сверхтоки, но незамедлительно срабатывали при возникновении токов короткого замыкания.

Для защиты электродвигателей от тепловых перегрузок в схему подключения электродвигателя включают тепловое реле, имеющее контакты цепи управления - через них подаётся напряжение на катушку магнитного пускателя.