Способы защиты электродвигателей

Способы защиты электродвигателей

Верный признак того, что с двигателем происходит что-то неладное — значительное повышение температуры корпуса. Причины перегрева могут быть разные:

• выход за пределы параметров питающего напряжения
• неправильное подключение схемы питания
• электрическая неисправность двигателя
• механическая неисправность двигателя
• перегрузка электродвигателя со стороны нагрузки
• несоответствие условий окружающей среды

Рассмотрим различные способы защиты электродвигателя от перегрева и связанного с ним понижения механической мощности.

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ЗАЩИТ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ДО 1000 В

Токовая отсечка.

Из всех аварийных режимов наиболее опасным является междуфазное короткое замыкание. Данный вид повреждения требует немедленного отключения асинхронного двигателя выключателем от питающей сети.

В соответствии с действующими правилами, асинхронные двигатели до 1000 В должны защищаться от коротких замыканий плавкими предохранителями или электромагнитными и тепловыми расцепителями автоматических выключателей.

Как обычно, правила отстают от фактических реалий. На вновь вводимых объектах асинхронные электрические машины комплектуются выносными многофункциональными блоками автоматической релейной защиты электродвигателя на базе микроконтроллеров, воздействующими на отключение выключателя.

Основной сути это не меняет. Автоматические защитные устройства от междуфазных коротких замыканий реагируют на сверхтоки и не имеют выдержки времени отключения выключателя. Такие устройства по-прежнему называют токовыми отсечками, защитные реле срабатывают при КЗ в обмотке статора либо на выводах асинхронного двигателя.

Зоной действия защищающего устройства является участок электросети, расположенный после ТТ или датчика. Обычно кроме самого асинхронного двигателя в защищаемой зоне находится и питающий кабель.

Параметры срабатывания токовой отсечки должны быть надёжно отстроены от пусковых токов. С другой стороны, автоматическое защитное устройство должно обладать достаточной чувствительностью при межвитковых замыканиях в любой части обмотки статора асинхронной машины.

Данный вид ненормального режима возникает при неисправностях или перегрузке исполнительного механизма. Перегрузка двигателя также может происходить по причине его недостаточной мощности. Режим перегрузки характеризуется повышенным уровнем токового потребления с относительно небольшой кратностью по сравнению с номинальным значением.

Токовая уставка автоматической защиты электродвигателя от перегрузки меньше значения пусковых токовых параметров, поэтому должна быть осуществлена отстройка от режима запуска путём искусственной задержки времени срабатывания и отключения автоматического выключателя.

Защищённость электромашины от перегрузки может быть реализована с применением следующих устройств:

• теплового расцепителя автоматического выключателя защиты электродвигателя;
• выносного защитного комплекта с токовым реле и реле времени, воздействующего на отключение выключателя при перегрузке;
• блока комплексной защитной автоматики двигателя на микроконтроллере, при срабатывании воздействующего на расцепитель выключателя.

В случае применения автоматического выключателя требуется просто подобрать подходящий по номинальному току и характеристике автомат. Тепловой расцепитель выключателя защиты электродвигателя обеспечивает интегральную зависимость времени отключения выключателя от величины токовой перегрузки.

Защитный автоматический релейный комплект с выносными электромагнитными реле настраивается на фиксированные ток и время срабатывания защиты.

В этом варианте, в отличие от теплового расцепителя, токовые и временные параметры между собой не связаны. Выходные реле выносных комплектов релейной защиты должны воздействовать на независимый (не тепловой) расцепитель автоматического выключателя.

Асинхронный электродвигатель

Многоступенчатая защитная система мер нужна всем электрическим машинам вне зависимости от мощности или типа. Асинхронный электродвигатель не исключение. Чтобы защитить его от внешних факторов, важно понимать, в каких условиях он эксплуатируется.

Так, наиболее распространенные асинхронные электродвигатели работают в следующих условиях:

• ток – переменный;
• сеть – трехфазная;
• напряжение – до 500 В;
• мощность – от 0,05 до 400 кВт.

Первоначальный уровень защиты электродвигателя такого класса не является техническим и находится в зоне ответственности пользователя. Именно от выбора подходящего механизма по номинальной мощности, конструктивному исполнению, комплектации под конкретный режим работы и климат размещения зависит безопасность и долговечность его службы. Второй важный момент – соблюдение требований по установке, грамотная разработка схема подключения, выбор пускорегулирующей аппаратуры, материалов соединений, кабелей, а также монтаж.

Если выбор самого двигателя и его интеграция в технический парк проведены грамотно, риск аварийных ситуаций априори снижен. Но конечно, для безопасной эксплуатации систем этого недостаточно.

Профилактика коротких замыканий

Автоматическая защита электродвигателя от коротких замыканий реализуется с помощью специальных устройств – аппаратов мгновенного выключения. Они работают в автоматическом режиме и подбираются по мощности оборудования. Устанавливают выключатели на случай замыканий так, чтобы исключить их контакт с токами самозапуска (и пусковыми токами тоже).

Для приведенных в примере асинхронных электродвигателей, работающих под напряжением до 500 В, во избежание замыканий применяют автоматические выключатели с времятоковой характеристикой, соответствующей кратности пускового тока (варианты – C или D). Нередко их заменяют плавкие предохранители. В устройствах более высокой мощности для профилактики замыканий устанавливают электромагнитные реле защиты электродвигателя. Альтернативный вариант – автовыключатели, оснащенные электромагнитным расцепителем.

Предупреждение перегрева

Перегрев – одна из самых частых причин поломки электрического двигателя средней и высокой мощности. Его может вызвать сбой системы охлаждения устройства или неисправность одного из узлов. Для профилактики перегрева иногда используют реле, которое:

• подключается ко встроенным в обмотки статора датчикам температуры для контроля нагрева и реакции на признаки перегрева;
• размыкает цепь, как только температура, фиксируемая датчиком, превышает установленную норму.

Релейная защита электродвигателя от перегрева не всегда обоснована, поскольку сам по себе (при работающей системе охлаждения) он не перегревается. Чаще перегрев связан с коротким замыканием в одной из обмоток или перегрузкой, а на эти факторы работают другие меры профилактики.

Перегрузки

Перегрузка – причина поломок, аварий, ремонтов механизмов, еще более частая, чем перегрев. Точнее, последний как раз обычно перегрузкой и вызван, именно он указывает на ее присутствие. Даже больше: перегрев – это главная проблема перегрузки, во избежание чрезмерного нагрева ее и нужно предупреждать.

Учитывая вышесказанное, логично, что строится защита электродвигателя от перегрузки на применении плавких материалов и элементов, чувствительных к изменениям температуры. Реализован принцип в тепловых реле и автоматических аппаратах мгновенного выключения с тепловыми расцепителями. Обязательный элемент – термодатчик, встраиваемый в его обмотках.

В релейных системах с асинхронными электродвигателями используют соответствующие термочувствительные реле. Их расцепитель срабатывает, когда сила тока превышает заданные нормальные значения.

Альтернативой описанным методам являются установки с часовым механизмом на реле. Это самый простой вариант: сеть расцепляется по времени после отработки заданного промежутка. Время работы программируется.

Попадание воды

Асинхронный электродвигатель чувствителен к попаданию внутрь его корпуса влаги. Потому защита от воды у него реализована на нескольких уровнях. Первый – еще на этапе производства. В ПТЦ «Привод» применяют передовые технологии, чтобы минимизировать вероятность разгерметизации корпуса и попадания в него водных брызг (IP54) или струй (максимальная степень защиты электродвигателя, водонепроницаемый корпус класса IP56).

При качественном исполнении изоляции в обмотках двигателя вода в целом ему и не опасна. Защита на пользовательском уровне нужна не столько самому механизму, сколько контактам подключенных фаз и устройств. Они должны быть изолированы.

Защита автомобильного двигателя

Перегрев электродвигателя грозит и водителям автомобилей с наступлением жары, да еще с последствиями разной сложности – от поездки, которую придется отменить, до капитального ремонта мотора, у которого от перегрева прихватить может поршень в цилиндре или деформироваться головка.

Во время езды охлаждается электродвигатель воздушным потоком, а когда авто попадает в пробки этого не происходит, что и вызывает перегрев. Чтобы его распознать вовремя, периодически следует посматривать на датчик (при наличии такового) температуры. Как только стрелка окажется в красной зоне, необходимо немедленно остановиться для выявления причины.

Нельзя пренебрегать сигналом аварийной лампочки, потому что за ним почувствуется запах выкипевшей охлаждающей жидкости. Затем, из-под капота появится пар, свидетельствующий о критической ситуации.

Как быть в подобной ситуации? Остановиться, заглушив электродвигатель и подождать, пока прекратится кипение, открыть капот. На это уходит обычно до 15 минут. При отсутствии признаков протекания, доливают жидкость в радиатор, и пробуют завести мотор. Если же температура начнет резко расти, осторожно движутся для выяснения причины в сервис для диагностики.

Внутренняя установка

В однофазных электродвигателях используется один одинарный тепловой автоматический выключатель. В трёхфазных электродвигателях — два последовательно соединённых выключателя, расположенных между фазами электродвигателя. Таким образом, все три фазы контактируют с тепловым выключателем. Тепловые автоматические выключатели можно установить на конце обмоток, однако это приводит к увеличению времени реагирования. Выключатели должны быть подключены к внешней системе управления. Таким образом электродвигатель защищается от постепенной перегрузки. Для тепловых автоматических выключателей реле — усилителя не требуется.

Тепловые выключатели НЕ ЗАЩИЩАЮТ двигатель при блокировке ротора.

Принцип действия теплового автоматического выключателя

На графике справа показана зависимость сопротивления от температуры для стандартного теплового автоматического выключателя. У каждого производителя эта характеристика своя. TN обычно лежит в интервале 150-160 °C.

Подключение трёхфазного электродвигателя со встроенным тепловым выключателем и реле перегрузки.

Обозначение TP на графике

Защита по стандарту IEC 60034-11:

TP 111 (постепенная перегрузка). Для того чтобы обеспечить защиту при блокировке ротора, электродвигатель должен быть оборудован реле перегрузки.

Защита от перегрева мотор-колеса

Мотор — колесо велосипеда тоже приходит в негодность после «перенесенного» перегрева. Если в жаркий день на максимальной мощности ехать какое-то время на предельной скорости, обмотки мотор-колеса перегреются и начнут плавиться, как и любого электрического мотора, испытывающего перегрузки.

Далее, наступит очередь короткого замыкания и остановка двигателя, для восстановления работоспособности которого, нужна перемотка. Чтобы его не допустить, существуют контроллеры большой мощности, увеличивающие крутящий момент. Ремонт мотор-колеса, вышедшего из строя, дорогостоящая операция, соизмеримая по финансовым затратам с покупкой нового.

Можно было бы теоретически установить термодатчик, который не допустит перегрева, но производители этого не делают по ряду причин. Одной из них является усложнение конструкции контроллера и удорожания мотор-колеса в целом. Остается одно – тщательно подбирать контроллер в соответствии с мощностью мотор-колеса.

Видео: Перегрев двигателя, причины перегрева.

Термисторная защита электродвигателей и реле термисторной защиты двигателя

Термисторная (позисторная) защита электродвигателей

Сложность конструкции тепловых реле к пускателям электродвигателей, недостаточная надежность систем защиты на их основе, привели к созданию тепловой защиты, реагирующей непосредственно на температуру обмоток электродвигателя. При этом датчики температуры устанавливаются на обмотке двигателя. Другими словами, осуществляется непосредственный контроль измерения нагрева двигателя. Прямая защита двигателя через контроль температуры обмотки даже при тяжелейших условиях окружающей среды обеспечивает полную защиту двигателя, оснащенного температурными датчиками с положительным коэффициентом сопротивления (PTC). Температурные датчики PTC встроены в обмотки электродвигателя (укладываются в обмотку двигателя изготовителем двигателей).

Термочувствительные защитные устройства: термисторы, позисторы

В качестве датчиков температуры получили применение термисторы и позисторы (РТС – резисторы) — полупроводниковые резисторы, изменяющие свое сопротивление от температуры. Термисторы представляют собой полупроводниковые резисторы с большим отрицательным ТСК. При увеличении температуры сопротивление термистора уменьшается, что используется для схемы отключения двигателя. Для увеличения крутизны зависимости сопротивления от температуры, термисторы, наклеенные на три фазы, включаются параллельно (рисунок 1).

Рисунок 1 – Зависимость сопротивления позисторов и термисторов от температуры: а – последовательное соединение позисторов; б – параллельное соединение термисторов

Позисторы являются нелинейными резисторами с положительным ТСК. При достижении определенной температуры сопротивление позистора скачкообразно увеличивается на несколько порядков.

Для усиления этого эффекта позисторы разных фаз соединяются последовательно. Характеристика позисторов показана на рисунке.

Защита с помощью позистоpoв является более совершенной. В зависимости от класса изоляции обмоток двигателя берутся позисторы на температуру срабатывания =105, 115, 130, 145 и 160 . Эта температура называется классификационной. Позистор резко меняет сопротивление при температура за время не более 12 с. При сопротивление трёх последовательно включенных позисторов должно быть не более 1650 Ом, при температуре их сопротивление должно быть не менее 4000 Ом.

Гарантийный срок службы позисторов 20000 ч. Конструктивно позистор представляет собой диск диаметром 3.5 мм и толщиной 1 мм, покрытый кремне-органической эмалью, создающей необходимую влагостойкость и электрическую прочность изоляции.

Рассмотрим схему позисторной защиты, показанную на рисунке 2.

К контактам 1, 2 схемы (рисунок 2, а) подключаются позисторы, установленные на всех трёх фазах двигателя (рисунок 2, б). Транзисторы VТ1, VT2 включены по схеме триггера Шмидта и работают в ключевом режиме. В цепь коллектора транзистора VT3 оконечного каскада включено выходное реле К, которое подает сигнал на обмотку пускателя электродвигателя.

При нормальной температуре обмотки двигателя и связанных с ним позисторов сопротивление последних мало. Сопротивление между точками 1-2 схемы также мало, транзистор VT1 закрыт (на базе малый отрицательный потенциал), транзистор VТ2 открьт (большой потенциал). Отрицательный потенциал на коллекторе транзисторе VT3 мал, и он закрыт. При этом ток в обмотке реле К недостаточен для его срабатывания.

При нагреве обмотки двигателя сопротивление позисторов увеличивается, и при определенном значении этого сопротивления отрицательный потенциал точки 3 достигает напряжения срабатывания триггера. Релейный режим триггера обеспечивается эммитерной обратной связью (сопротивление в цепи эммитера VТ1) и коллекторной обратной связью между коллектором VT2 и базой VT1. При срабатывании триггера VТ2 закрывается, а VT3 — открывается. Срабатывает реле К, замыкая цепи сигнализации и размыкая цепь электромагнита пускателя, после чего обмотка статора отключается от напряжения сети, двигатель останавливается.

Рисунок 2 – Аппарат позисторной защиты с ручным возвратом: а – принципиальная схема; б – схема подключения к двигателю

После охлаждения двигателя его пуск возможен после нажатия кнопки «возврат», при котором триггер возвращается в начальное положение.

В современных электродвигателях позисторы защиты устанавливаются на лобовой части обмоток двигателя. В двигателях прежних разработок позисторы можно приклеивать к лобовой части обмоток.

Достоинства и недостатки термисторной (позисторной) защиты

• Термочувствительная защита электродвигателей предпочтительней в тех случаях, когда по току невозможно определить с достаточной точностью температуру электродвигателя. Это касается, прежде всего, электродвигателей с продолжительным периодом запуска, частыми операциями включения и отключения (повторно-кратковременный режим работы) или двигателей с регулируемым числом оборотов (при помощи преобразователей частоты). Термисторная защита эффективна также при сильном загрязнении электродвигателей или выходе из строя системы принудительного охлаждения.
• Термисторная защита эффективна также при сильном загрязнении двигателей или выходе из строя принудительного охлаждения. Следующей областью применения термисторной защиты является температурный контроль в трансформаторах, жидкостях и подшипниках для их защиты от перегрева.
• Недостатками термисторной защиты является то, что с термисторами или позисторами выпускаются далеко не все типы электродвигателей. Это особенно касается электродвигателей отечественного производства. Термисторы и позисторы могут устанавливаться в электродвигатели только в условиях стационарных мастерских. Температурная характеристика термистора достаточно инерционна и сильно зависит от температуры окружающей среды и от условий эксплуатации самого электродвигателя.
• Термисторная защита требует наличия специального электронного блока: термисторного устройства защиты электродвигателей, теплового или электронного реле перегрузки, в которых находятся блоки настройки и регулировки, а также выходные электромагнитные реле, служащие для отключения катушки пускателя или электромагнитного расцепителя.

Виды термисторных реле различных производителей:

Реле термисторной защиты двигателя TER-7 ELCO (Чехия)

• контролирует температуру обмотки электродвигателя в температ. интервале, данном сопротивл. PTC термистора фиксированный настроенный уровень коммутации
• в качестве считывающего элемента применяетсчя термистор PTC встроенный в обмотку электродвигателя его производителем, возможно использование внешнего PTC сенсора
• функция ПАМЯТЬ — реле в случае ошибки блокируется до момента вмешательства персонала (наж. кнопки RESET)
  RESET ошибочного состояния:
  a) кнопкой на передней панели
  b) внешним контактом (на расстоянии по двум проводам)
• функция контроля короткого замыкани или отключения сенсора , состояние нарушения сенсора указывает мигающий красный светодиодный индикатор
• выходной контакт 2x переключ. 8 A / 250 V AC1
• состояние превышение температуры обмотки двигателя указывает светящийся красный светодиодный индикатор
• универсальное напряжение питания AC/ DC 24 — 240 V
• клеммы сенсора не изолированы гальванически, но их можно замкнуть с клеммой PE без поломки устройства, в случае питания от сети должен быть подключен нейтраль на клемму A2

Реле термисторной защиты электродвигателя РТ-М01-1-15 (МЕАНДР, Россия)

• контролирует температуру двигателей, оснащенные позисторами (термисторы с положительным температурным коэффициентом — РТС резисторы), встроенные в обмотку двигателя ( производителем).
• коммутируемый ток 5А/250В (пиковый 16А), контакты реле 1з+1р
• индикация рабочих состояний:
• (напряжение питания, срабатывание реле, перегрев двигателя, КЗ датчиков)
• напряжение питания АС 220, 100, 380 (по исполнениям)

Реле контроля температуры двигателя E3TF01 230VAC (PTC), 1 CO, TELE Серия ENYA (Австрия)

• контролируемая величина PTC (контр. температуры двигателя на повышение) от 6 PTC датчиков
• диапазон измерения общее сопр. холодн. Реле контроля температуры двигателя G2TF02 (PTC), 2ПК (требуется модуль TR2)TELE Серия GAMMA (Австрия)

• контролируемая величина PTC (контр. температуры двигателя на повышение) от 6 PTC датчиков
• диапазон измерения общее сопр. холодн. Реле термисторной защиты двигателя CR-810 F&F ЕвроАвтоматика (Белоруссия)

• контроль температуры электродвигателей, генераторов, трансформаторов и защита их от перегрева
• датчики РТС устанавливаются в обмотках электродвигателя производителем и в комплект не входят (термисторы РТС соединенные последовательно от 1 до 6 штук)
• напряжение питания 230V AC и 24V AC/DC
• максимальный комутируемый ток 16А, 1 переключающий контакт
• контроль КЗ в цепи термисторных датчиков
• с ростом температуры электродвигателя растет сопротивление цепи термисторных датчиков, при достижении более 3000 Ом питание отключается (реле разрывает цепь питания катушки контактора), включение происходит автоматически при снижении температуры и соответсвенно сопротивления до 1800 Ом.

Реле контроля температуры двигателя MTR01, MTR02 BMR (Чехия)

• Реле контролирует температуру обмотки электрического двигателя. Принцип действия основан на измерении сопротивления термистора, встроенного в двигатель.
• Устройство также контролирует короткое замыкание или пропадание фазы. Реле имеет один выходной перекидной контакт на ток 8 А.
• Модификация MTR01 24V/ MTR02 24V предназначена для напряжения питания 24 В. Остальные параметры.
• MTR02 с гальванической изоляцией
• Сопротивление PTC в раб. режиме 50 Ω 3,3кΩ или PTC Реле контроля температуры двигателя BTR-12EBTR Electronic Systems, «METZ CONNECT» (Германия)

• реле термистор применяется для защиты моторов от термических перегрузок, возникающих при механических перегрузках в приводах или при использовании электродвигателей под перенапряжением. Для регистрации температуры применяется РТС = сопротивление с позитивным температурным коэффициентом, которые позиционируются в месте наибольшего нагрева.
• выпускается с памятью ошибки и без ЗУ (запоминающее устройство)
• напряжение питания 230V AC / 24V AC/DC
• предельно допустимый ток контактов 6А (1 или 2 переключающих контакта)

Реле термической защиты Grundfos MS 220 C Grundfos/Ziehl (Германия)

• Реле Grundfos MS 220C предназначено для преобразования термисторного сигнала в релейный и передачи его на пускатель в насосах с мощностью двигателя более 3.0 кВт.
• напряжение питания AC/DC 24 — 240V (и др. в зависимости от исполнения 110,400V)
• 1 CO, ток контактов 6А

Реле контроля температуры двигателя серии 71.91 и 71.92 Finder (Италия)

Термисторное реле определения температуры для промышленного применения.

Реле Finder термисторной защиты двигателя [71.91.8.230.0300]

• 1 нормально разомкнутый контакт, без памяти отказов
• Питание 24 В переменного/постоянного тока или 230 В переменного тока
• Защита от перегрузок в соответствии с EN 60204-7-3
• Положительная предохранительная логическая схема размыкает контакт, если значения измерений выходят за пределы приемлемого диапазона
• Индикация состояния с помощью светодиода
• Определение температуры с положительным температурным коэффициентом (PTC)
• Выявление короткого замыкания с помощью PTC
• Выявление обрыва провода с помощью PTC

Реле Finder термисторной защиты двигателя (с памятью) [71.92.8.230.0401]

• Термисторное реле с памятью отказов
• 2 перекидных контакта
• Питание 24 В переменного/постоянного тока или 230 В переменного тока
• Защита от перегрузок в соответствии с EN 60204-7-3
• Положительная предохранительная логическая схема размыкает контакт, если значения измерений выходят за пределы приемлемого диапазона
• Индикация состояния с помощью светодиода
• Определение температуры с положительным температурным коэффициентом (PTC)
• Память отказов выбирается переключателем
• Выявление короткого замыкания с помощью PTC
• Выявление обрыва провода с помощью PTC