В процессе эксплуатации различных электроустановок возникают аварийные режимы. Основные из них - короткие замыкания, технологические перегрузки, неполнофазные режимы, заклинивание ротора электрической машины.

Аварийные режимы работы электродвигателей

Под коротким замыканием понимается режим, когда ток перегрузки превышает номинальный в несколько раз. Перегрузочный режим характеризуется превышением тока в 1,5 - 1,8 раза. Технологические перегрузки приводят к увеличению температуры обмоток электродвигателя выше допустимой, постепенному разрушению ее и выходу из строя.

Неполнофазный режим (потеря фазы) возникает в случае перегорания предохранителя в фазе, обрыва провода, нарушения контакта. При этом происходит перераспределение токов, по обмоткам электродвигателя начинают протекать повышенные токи, не исключается остановка механизма и выход электрической машины из строя. Наиболее чувствительны к неполнофазным режимам электродвигатели малой и средней мощности, т. е., которые наиболее часто используются в промышленности и сельском хозяйстве.

Заклинивание ротора электрической машины может возникнуть при разрушении подшипника, заклинивании рабочей машины. Это наиболее тяжелый режим. Скорость нарастания температуры обмотки статора достигает 7 - 10 °С в секунду, через 10 - 15 с температура двигателя выходит за допустимые пределы. Наиболее опасен такой режим для двигателей малой и средней мощности.

Наибольшее количество аварийных выходов из строя электродвигателей обусловлено технологическими перегрузками, заклиниванием, разрушением подшипникового узла . До 15 % отказов происходит из-за обрыва фаз и возникновения недопустимой несимметрии напряжений.

Виды электрических аппаратов для защиты электродвигателей

Для защиты электрооборудования от аварийных режимов серийно выпускаются автоматические выключатели, предохранители, устройства встроенной температурной защиты, фазочувствительная защита и другие аппараты.

При выборе типа защиты учитываются конкретные условия эксплуатации, быстродействие, надежность, удобство эксплуатации, экономические показатели.

В электроустановках до 1000 В защита от коротких замыканий обычно осуществляется плавкими предохранителями или электромагнитными расцепителями максимального тока, встроенными в автоматические выключатели .

Помимо этого, защита от коротких замыканий электродвигателей может осуществляться токовым реле , включенным в одну из фаз статора непосредственно или через трансформатор тока и реле времени.

Защиту от перегрузок подразделяют на два типа: защиту прямого действия, реагирующую на превышение тока, и защиту косвенного действия, реагирующую на превышение температуры. Наиболее распространенным типом токовой защиты, используемой для защиты электродвигателей от перегрузок (в том числе и от заклинивания), являются тепловые релеле . Они выпускаются серии ТРН, ТРП, РТТ, РТЛ. Трехфазные тепловые реле РТТ и РТЛ защищают также от обрыва фазы.

Фазочувствительная защита (ФУЗ) защищает от обрыва фазы, заклинивания механизма, коротких замыканий, пониженного сопротивления изоляции электродвигателя.

Защита от перегрузок и заклинивания механизма может осуществляться также с помощью специальных предохранительных муфт . Указанный тип защиты используется на прессовом оборудовании. Для защиты от обрыва фаз серийно выпускаются реле обрыва фаз типа Е-511, ЕЛ-8, ЕЛ-10, современные электронные и микропроцессорные реле.

К защите косвенного действия относится и встроенная температурная защита УВТЗ , реагирующая не на значение тока, а на температуру обмотки электродвигателя, независимо от причины, вызвавшей нагрев. В настоящее время, для этих целей все чаще используются современные электронные и микропроцессорные тепловые реле, реагирующие на изменение сопротивления встроенных в обмотку статора электродвигателя терморезисторов.

Порядок выбора типа защиты для электродвигателей

При выборе типа защиты необходимо руководствоваться следующими положениями:

наиболее ответственные электроприемники, отказ в работе которых может привести к большому ущербу, подверженные систематическому загрязнению, или работающие в условиях повышенной температуры, а также с резкопеременной нагрузкой (дробилки, пилорамы, измельчители кормов) целесообразно защищать встроенной температурной защитой и автоматическими выключателями или предохранителями.

Защита маломощных электродвигателей (до 1,1 кВт), которые обслуживаются высококвалифицированным персоналом, может осуществляться тепловыми реле и предохранителями.

Защиту электродвигателей средней мощности (более 1,1 кВт), работающих без обслуживающего персонала, рекомендуется защищать фазочувствительными устройствами.

При небольших перегрузках и длительных режимах работы надежно работают тепловые реле, фазочувствительная защита, встроенная температурная защита. Выбор предпочтительного аппарата в этом случае необходимо производить с учетом экономических показателей. При переменных нагрузках с периодом колебаний нагрузки, соизмеримым с постоянной нагрева двигателя, тепловые реле действуют ненадежно и следует применять встроенную температурную защиту или фазочувствительную защиту. При случайных нагрузках большей надежностью обладают защитные устройства, действующие в функции температуры, а не тока.

При включении электропривода в неполнофазную сеть по его обмоткам проходит ток, близкий к пусковому, и защитные аппараты срабатывают надежно. Но если обрыв фазы произошел после включения электродвигателя, то сила тока зависит от нагрузки. Тепловые реле в этом случае обладают значительной зоной нечувствительности и лучше применять фазочувствительную защиту и встроенную температурную защиту.

При затяжных пусках применение тепловых реле нежелательно. Если пуск осуществляется при пониженном напряжении, тепловое реле может ложно отключить электродвигатель.

При заклинивании ротора электродвигателя или рабочей машины ток в его обмотках в 5 - 6 раз превышает номинальный. Тепловые реле в этой ситуации должны в течение 1 - 2 с отключить электродвигатель. Однако температурная защита при перегрузках по току в 1,6 раза и выше имеет большую динамическую погрешность, поэтому электродвигатель может быть не отключен, возникнет недопустимый перегрев обмоток и резкое сокращение срока службы электрической машины. Тепловые реле и встроенная температурная защита при больших перегрузках работают с низкой эффективностью. Лучше в таких ситуациях использовать фазочувствительную защиту.

При применении современных тепловых реле РТТ и РТЛ частота отказов электрооборудования значительно ниже, чем при использовании реле типа ТРН, ТРП и в ряде случаев сравнима с частотой отказов при установке встроенной температурной защиты.

В настоящее время, для защиты особо важных электродвигателей применение находят современные , совмещающие в себе все типы защиты и имеющие возможность гибкой настройки параметров срабатывания.

Область применения различных устройств защиты зависит от числа выходов электрооборудования из строя, размеров технологического ущерба при отключении, затрат на приобретение аппаратуры защиты. Для выбора предпочтительного варианта необходимо технико-экономическое сравнение.

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.

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.

Электродвигатели как переменного, так и постоянного тока нуждаются в защите от короткого замыкания, теплового перегрева и перегрузок, вызванных аварийными ситуациями или неисправностями в технологическом процессе, силовыми установками которых они являются. Для предупреждения подобных ситуаций промышленностью выпускаются несколько видов устройств, которые как отдельно, так и в комплексе с другими средствами, образуют блок защиты электродвигателя.

Способы защиты электродвигателей от перегрузок

Кроме того, в современные схемы обязательно включают элементы, которые предназначены для комплексной защиты электрооборудования в случае исчезновения напряжения одной или нескольких фаз питания. В подобных системах для исключения аварийных ситуации и минимизации ущерба при их возникновении выполняют мероприятия, предусмотренные «Правилами устройства электроустановок» (ПУЭ).

Отключение двигателя по току тепловым реле

Для исключения выхода из строя асинхронных электродвигателей, которые применяются в механизмах, машинах и прочем оборудовании, где возможно увеличение нагрузок на механическую часть двигателя в случае нарушения технологического процесса, применяют устройства защиты от тепловых перегрузок. Схема защиты от тепловых перегрузок, которая изображена на рисунке выше, включает в себя тепловое реле для электродвигателя, являющееся основным прибором, реализующим мгновенное или заданное по времени прерывание цепи питания.

Реле электродвигателя конструктивно состоит из регулируемого или заданного точно механизма задания времени, контакторов и электромагнитной катушки и теплового элемента, являющегося датчиком возникновения критических параметров. Устройства, кроме времени срабатывания, могут регулироваться по величине перегрузки, что расширяет возможности применения, особенно для тех механизмов, в которых согласно технологическому процессу возможно кратковременное увеличение нагрузки на механическую часть электродвигателя.
К недостаткам работы тепловых реле относится функция по возврату к готовности, которая реализована автоматическим самовозвратом или ручном управлении, и не дающая уверенности оператору в несанкционированном пуске электроустановки после срабатывания.

Схема пуска двигателя выполняется при помощи кнопок пуск, стоп и электромагнитного пускателя, питанием катушки которого они управляют, изображена на рисунке. Запуск реализуется контактами пускателя, которые замыкаются при подаче напряжения на катушку магнитного пускателя.

В данной схеме реализована токовая защита электродвигателя, эту функцию осуществляет тепловое реле, отключающее один из выводов обмотки от земли при превышении номинального тока, протекающего по всем, двум или какой то одной фазе питания. Защитное реле отключит нагрузку и при возникновении короткого замыкания в силовых цепях на электрический двигатель. Работает тепловой защитный аппарат по принципу механического размыкания контрольных клемм вследствие нагрева соответствующих элементов.

Есть и другие устройства, предназначенные для отключения электродвигателя, в случае возникновения в силовых линиях и цепях управления токов короткого замыкания. Они бывают нескольких типов, каждый из которых производит практически мгновенное действие по разрыву без временной паузы. К такой аппаратуре относятся предохранители, электрические , а также электромагнитные реле.

Использование специальных электронных устройств

Существуют сложные средства защиты электродвигателей, которые применяются опытными инженерами при проектировании электрических систем и предназначенные для одновременного противодействия аварийным ситуациям, таким как несанкционированный , работа на двух фазах, работа при пониженном или повышенном напряжении, короткое замыкание однофазное электрической цепи на землю в системах с изолированной нейтралью.

К ним относятся:

• частотные инверторы,

• устройства плавного пуска,

• бесконтактные устройства.

Использование частотных преобразователей

Схема защиты электродвигателя, реализованная в составе преобразователя частоты изображенная на рисунке ниже, предусматривает аппаратными возможностями устройства противодействовать выходу из строя электродвигателя за счет автоматического снижения величины тока при пуске, остановке, коротких замыканиях. Кроме того, защита электродвигателя частотником возможна программированием отдельных функций, таких как время срабатывания тепловой защиты, которая активизируется от контроллера температуры двигателя.

Частотный преобразователь в составе своих функций также имеет контроль защиты радиатора и корректировку по высокому и низкому напряжению, которое может быть вызвано в сетях сторонними причинами.

К особенностям контролирования процесса эксплуатации электродвигателей в системе с частотными преобразователями относятся возможности дистанционного управления с персонального компьютера, который подключается по стандартному протоколу, и передача сигналов на вспомогательные контроллеры, обрабатывающие общие сигналы технологического процесса. Узнать больше о функциях частотных преобразователей можно из статьи про .

Устройства плавного пуска и СиЭЗ

С удешевлением устройств, в которых применены новейшие полупроводниковые элементы, становится целесообразно использовать для защиты асинхронных электродвигателей приборы плавного пуска и системы бесконтактной защиты.

Одним из самых распространенных способов защиты трехфазных электродвигателей как короткозамкнутых, так и с фазным ротором, являются системы электронной бесконтактной защиты (СиЭЗ). Функциональная схема, на которой показан пример реализации устройства защиты двигателей СиЭЗ, приведена ниже.

СиЭЗ осуществляет защиту электродвигателей при обрыве любого фазного провода, увеличении тока сверх номинального, механическом заклинивании якоря (ротора) и недопустимой асимметрии по напряжению между фазами. Реализация функций возможна при использовании в схеме шунтов и трансформаторов тока L1, L2 и L3.

Кроме того, системы могут включать дополнительные опции, такие как предпусковой контроль сопротивления изоляции, дистанционные датчики температуры и защиту от понижения тока ниже номинального.

Преимущества СиЭЗ пред частотными преобразователями является непосредственное снятие данных через индукционные датчики, что исключает запаздывание срабатывания, а также сравнительно низкая стоимость при условии, что приборы имеют защитное предназначение.

Перегрузка электродвигателя возникает в следующих случаях:

· при затянувшемся пуске или самозапуске;

· по технологическим причинам и перегрузке механизмов;

· 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.

Значительное увеличение тока электродвигателя получается также при обрыве фазы, что встречается, например, 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 срок службы электродвигателя.

При решении вопроса об установке защиты от перегрузки на электродвигателе и характере ее действия руководствуются условиями его работы.

На электродвигателях механизмов, не подверженных технологическим перегрузкам (например, электродвигателях циркуляционных, питательных насосов и т. п.) и не имеющих тяжелых условий пуска или самозапуска, защита от перегрузки н е 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 выполняетсяс действием на отключение в случае, если не обеспечивается самозапуск электродвигателей 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.

Защита с тепловым реле. Лучше других могут обеспечивать характеристику, приближающуюся к перегрузочной характеристике электродвигателя, тепловые реле, которые реагируют на количество тепла, выделенного в сопротивлении его нагревательного элемента.

Защита от перегрузки с токовыми реле. Для защиты электродвигателей от перегрузки обычно применяются максимальные токовые защиты с использованием токовых реле с ограниченно зависимыми характеристиками выдержки времени типа РТ-80 или максимальные токовые защиты, выполненные комбинацией мгновенных токовых реле и реле времени.