Защита трехфазных электродвигателей

Содержание:

1. Введение
2. Типовые неисправности электродвигателей и причины их возникновения
3. Основные виды защит электродвигателей

1. Введение

Защита электродвигателя (ЭД) — это предотвращение его выхода из строя при воздействии неблагоприятных эксплуатационных факторов.

Указанная задача решается путем заблаговременного отключения ЭД при возникновении опасных режимов работы. Это во многих случаях позволяет сохранить как сам ЭД, так и не допустить повреждения приводимых им механизмов при возникновении каких-либо неисправностей в работе.

Отключение ЭД обеспечивается применением совместно с ним различных защитных устройств которые мы и рассмотрим в данной статье.

2. Типовые неисправности электродвигателей и причины их возникновения

Во время эксплуатации ЭД могут возникать различные аварийные режимы работы, которые могут быть вызваны как неисправностью самого двигателя так и неисправностями в его пускорегулирующей аппаратуре или в приводимых им в движение механизмов.

В свою очередь аварийный режим работы может привести к повреждению и выходу из строя не только самого ЭД но и другого взаимосвязанного с ним оборудования, поэтому очень важно заранее предусмотреть возможность сбоя и его причины и подобрать соответствующую защиту.

Основной причиной выхода из строя ЭД является перегрев обмоток, который приводит к разрушению их изоляционного слоя и как следствие к повреждению самих обмоток:

Рис. 1 – Статор ЭД с поврежденными в результате перегрева обмотками

Возможны следующие причины перегрева:

• ненормальный режим работы;
• нарушение питания;
• внутренние повреждения ЭД.

Ненормальный режим работы:

1. Перегрузка – если потребляемая мощность больше номинальной (в случае чрезмерной механической нагрузки на валу двигателя), то в ЭД возникает ток перегрузки, и увеличиваются потери, что приводит к повышению температуры.
2. Затянутый и частый пуск вызывает значительный ток перегрузки (который при нормальных условиях допустим только в течение короткого промежутка времени) приводящий к недопустимому нагреву.
3. Блокировка (заклинивание) – резкая остановка вращения, приводящая к потреблению ЭД пускового тока и отсутствию вентиляции, что вызывает быстрый перегрев ЭД.

Нарушение питания:

1. Прекращение подачи питания приводит к тому, что ЭД работает в режиме генератора, поскольку инерция нагрузки привода велика.
2. Снижение напряжения приводит к уменьшению вращающего момента и скорости: замедление ЭД вызывает увеличение тока и потерь. Таким образом, происходит перегрев ЭД.
3. Повышение напряжения увеличивает намагничивающий ток ЭД, что ведет к перегреву магнитопровода статора, который в свою очередь перегревает обмотки статора.
4. Изменение частоты
5. Несбалансированность системы трехфазного питания:

• источник энергии не производит симметричное трехфазное напряжение;
• другие потребители представляют собой несимметричную нагрузку, и возникает несбалансированное питание сети;
• обрыв фазы (неполнофазный режим), в результате чего ЭД получает питание по двум фазам.

Внутренние повреждения ЭД:

1. Межфазное короткое замыкание
2. Замыкание на корпус статора
3. Замыкание на корпус ротора (для ЭД с фазным ротором)

Нарушение изоляции обмоток может быть причиной короткого замыкания между ее витками, когда возникает ток, создающий перегрев в месте повреждения.

d. Перегрев подшипников вследствие их износа или недостатка смазки.

3. Основные виды защит электродвигателей

Защита электродвигателя имеет несколько уровней (см. рис. 2):

Рис. 2 – Пример реализации защиты электродвигателя

В зависимости от режима работы и условий эксплуатации, применяются, в различном сочетании, следующие виды защит ЭД:

• внешняя защита от короткого замыкания выполняется плавкими предохранителями (см. рис. 3), автоматическими выключателями,  автоматами защиты двигателей (см. рис. 4), токовыми реле (см. рис. 5);
• внешняя защита от перегрузок выполняется плавкими предохранителями, автоматическими выключателями, автоматами защиты двигателей, так же применяются токовые и тепловые реле (см. рис. 6);
• внешняя защита от нарушения питания выполняется реле контроля напряжения (см. рис. 7, а), реле контроля фаз (см. рис. 7, б);
• контроль изоляции обмоток выполняется реле контроля изоляции (см. рис. 8);
• встроенная защита двигателя выполняется тепловыми автоматическими выключателями (термостатами) (см. рис. 9), термисторными реле (см. рис. 10).

Рассмотрим основные устройства защиты электродвигателей:

Плавкий предохранитель

Плавкий предохранитель является простейшим устройством, выполняющим как защиту от короткого замыкания, так и защиту от перегрузки.

Плавкие предохранители быстрого срабатывания обеспечивают отличную защиту от короткого замыкания. Однако кратковременные перегрузки, такие как пусковой ток электродвигателя, могут вызвать срабатывание плавких предохранителей такого вида. Поэтому быстродействующие плавкие предохранители лучше всего использовать в сетях, которые не подвержены действию значительных переходных токов.

Плавкие предохранители с задержкой срабатывания обеспечивают защиту и от перегрузки, и от короткого замыкания. Как правило, они допускают многократное увеличение номинального тока на короткое время. Обычно этого достаточно, чтобы электродвигатель был запущен и плавкий предохранитель не сработал.

Рис. 3 – Плавкие предохранители

Достоинства:

• плавкие предохранители позволяют осуществить наиболее простую и дешевую защиту;
• плавкие предохранители не требуют проведения наладочных работ.

Недостатки:

• меньшая чувствительность к перегрузкам и удаленным коротким замыканиям по сравнению с иными устройствами защиты;
• возможность возникновения неполнофазного режима, например, при самопроизвольном срабатывании предохранителя одной из фаз из-за старения плавкой вставки;
• невозможность автоматического повторного включения;
• длительное время замены и невозможность телемеханизировать эту операцию.

→ Подробнее о предохранителях читайте здесь.

Автомат защиты двигателя

Автомат защиты двигателя является устройством токовой защиты электродвигателя, обладающий расцепителем перегрузки и расцепителем короткого замыкания. Его устройство аналогично устройству обычного автоматического выключателя, однако в отличие от последнего, он имеет регулировку расцепителя перегрузки.

Рис. 4 – Автомат защиты двигателя

Достоинства:

• совмещает функции коммутации и защиты;
• совмещает функции защиты от короткого замыкания и перегрузки;
• регулировка расцепителя перегрузки;
• защита электродвигателя без использования дополнительных устройств;
• чувствительность к обрыву фазы;
• возможность применения вспомогательных и сигнальных контактов;
• возможность применения вспомогательных расцепителей.

 Недостатки:

• недостаточная скорость срабатывания расцепителя перегрузки при резком повышении тока вследствие других аварийных режимов работы.

→ Подробнее об автоматических выключателях читайте здесь.

Токовое реле

Призвано следить за величиной тока на определенном участке сети. В случае превышения установленного значения токовое реле переключается, подавая сигнал на исполнительный механизм, который обесточит участок схемы или включит сигнализацию.

Рис. 5 – Токовое реле

Токовые реле подразделяются на первичные и вторичные.

Первичное токовое реле подключается в цепь защиты ЭД непосредственно своими выводами.

Вторичное реле подключается через трансформатор тока, устанавливаемый непосредственно на шину питания или жилу питающего кабеля ЭД.

Реле тока обладает преимуществом перед автоматическим выключателем и предохранителем за счет быстродействия.

Тепловое реле

Тепловое реле – это устройство защиты электродвигателя от перегрузок, исполнительным элементом которого является расцепитель перегрузки, аналогичный расцепителю перегрузки автоматического выключателя, т.е. имеющий в своей основе биметаллическую пластину. Обычно входит в состав магнитного пускателя и устанавливается между контактором и двигателем.

Рис. 6 – Тепловое реле

Тепловое реле является простым, надежным и недорогим устройством токовой защиты электродвигателя.

К его недостаткам можно отнести недостаточную скорость срабатывания при резком повышении тока вследствие других аварийных режимов работы.

→ Подробнее о тепловых реле читайте здесь.

Реле контроля напряжения, реле контроля фаз

Если параметры питающего напряжения ЭД в пределах нормы, то контакты реле замкнуты, и на катушку контактора ЭД подается управляющее напряжение. В случае аварийной ситуации контакты реле размыкаются, отключая контактор.

Рис. 7 – Реле контроля: а) напряжения; б) фаз

Реле защищают ЭД от следующих отклонений параметров питающего напряжения:

• отсутствия напряжения хотя бы в одной из фаз;
• снижения напряжения меньше установленной величины;
• повышения напряжения больше установленной величины;
• асимметрии напряжения;
• нарушения порядка чередования фаз;
• слипания фаз.

Реле контроля напряжения и фаз обеспечивают эффективную защиту от аварийных режимов, вызванных нарушением питания. В то время как устройства токовой защиты могут не среагировать на повышение тока в результате отклонения параметров питающего напряжения.

Реле контроля изоляции

Реле контролирует предпусковое состояние сопротивления изоляции ЭД по определённым нормативным параметрам, заданным при помощи регулируемого потенциометра. Если параметры изоляции в норме, контакты реле контроля изоляции замкнуты, включение ЭД разрешено. При нарушении сопротивления изоляции ниже контролируемого значения, контакты реле размыкаются, включение ЭД не производится.

Рис. 8 – Реле контроля изоляции

Достоинством реле контроля изоляции является предотвращение возникновения межвитковых коротких замыканий, которые в дальнейшем могут привести к серьезным аварийным ситуациям. Тогда как устройства токовой защиты сработают только при уже возникшем межвитковом коротком замыкании.

Термостат, термисторное реле (УВТЗ)

Термостат и термисторное реле относятся к устройствам встроенной температурной защиты ЭД (подробнее см. статью: «УВТЗ — устройство встроенной температурной защиты«). Для этой цели термостат и датчик термисторного реле (термистор) встраиваются в статор ЭД.

Для чего нужна встроенная защита ЭД, если ЭД уже оснащён внешними устройствами токовой защиты? В некоторых случаях устройства токовой защиты не регистрирует перегрузку ЭД.

В термостатах используется биметаллический автоматический выключатель мгновенного действия для размыкания и замыкания цепи управления ЭД при достижении статором определённой температуры.

Рис. 9 – Термостат

Термисторное реле. При нормальной температуре статора контакты реле замкнуты, питание ЭД включено. С ростом температуры статора растет и сопротивление цепи термисторов. При достижении сопротивления определенной величины контакты реле размыкаются, питание ЭД отключается.

Рис. 10 – Термисторное реле с термистором

Преимущество устройств встроенной защиты перед внешними устройствами токовой защиты в том, что встроенная защита эффективнее защищает ЭД от перегрева, т.к. непосредственно контролирует температуру обмоток, в то время как другие устройства защиты от перегрева контролируют протекающий в них ток.

В заключение отметим, что в данный момент существуют многофункциональные устройства защиты ЭД, совмещающие функции описанных выше устройств, например УБЗ-302:

Была ли Вам полезна данная статья? Или может быть у Вас остались вопросы? Пишите в комментариях!

Не нашли на сайте ответа на интересующий Вас вопрос? Задайте его на форуме! Наши специалисты обязательно Вам ответят.

↑ Наверх