Защита двигателя при эксплуатации на основе аппаратов фирмы SIEMENS

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЗАЩИТА ДВИГАТЕЛЯ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА ОСНОВЕ АППАРАТОВ ФИРМЫ SIEMENS

В.В. СИЛЮКОВ, магистрант,

Карагандинский государственный технический университет

Предоставлено описание различных концепций построения защиты асинхронных двигателей на основе аппаратов фирмы SIEMENS.

защита двигатель реле расцепитель

Большинство двигателей, используемых в промышленности, включаются и работают автоматически. Но в случае аварии страдает не столько сам двигатель, сколько весь производственный процесс. Длительные простои дорогостоящих технологических линий влекут за собой потери намного большие, чем затраты на ремонт двигателя. Поэтому правильная защита двигателя -- это задача не только чисто техническая, но и экономическая, заставляющая выбирать между затратами и конечной выгодой.

Устройства защиты двигателя подразделяются на токозависимые и зависимые от температуры устройства. В свою очередь существует два ряда токозависимых устройств: 1) токозависимые тепловые биметаллические защитные устройства; 2) устройства, выполненные на электронных схемах (электронные реле защиты от перегрузки, электронные расцепители от перегрузки).

Зависимые от температуры защитные устройства также подразделяются на несколько типов: 1) термисторная защита двигателя с терморезисторами с положительным температурным коэффициентом; 2) термисторная защита двигателя с сенсорами KTY; 3) биметаллические выключатели; 4) термометры сопротивления.

Токозависимые устройства защиты контролируют температуру обмотки двигателя, основываясь на измерении величины тока питания.

Тепловые реле 3RU с токовременной зависимостью и расцепитель перегрузки в силовых автоматах 3RV работают с биметаллическими пластинами и обмотками накала, которые нагреваются от тока двигателя. В расцепителях перегрузки биметаллические пластины освобождают защелку механизма блокировки, а в реле перегрузки срабатывает вспомогательный контакт, который разрывает контур тока в катушке контактора двигателя. После срабатывания биметаллические пластины должны остыть для восстановления работоспособности защитного устройства. Как правило, это происходит быстрее, чем успевает охладиться двигатель.

Современные реле перегрузки и расцепители выполнены с температурной компенсацией. Компенсаторная пластинка обеспечивает стабильное отключение при окружающих температурах от -20 до +60 С°.

Минимальный ток, при котором происходит срабатывание, называется предельным током отключения. При температуре окружающей среды 20С° он должен находиться между 1,05- и 1,2-кратным значением тока уставки. При симметричной нагрузке двигателя 6-кратным током уставки при пуске в холодном состоянии отключение должно происходить (при нормальном разгоне) в течение 10 секунд для реле CLASS 10. Если на реле, находящееся в рабочем горячем состоянии, подать нагрузку в пределах тока уставки, то время отключения сократится примерно на четверть. Тем самым обеспечивается защита двигателей от перегрева во время разгона, в продолжительном режиме работы и при блокировании ротора.

При асимметрии сети, и особенно при отсутствии тока в одном из проводов, резко возрастает ток в двух других проводах, и потери в двигателе становятся в 1,5-2 раза выше, чем при номинальной работе. Реле перегрузки, не имеющие чувствительных элементов к обрыву фазы, срабатывают при этом с запозданием. Предельный ток отключения может быть в этом случае на 10% выше, т.е. составлять максимально 1,32-кратную величину тока уставки. Продолжительная работа в условиях такой нагрузки может привести к преждевременному выходу двигателя из строя.

Для того чтобы в условиях асимметрии сети и однофазного режима работы обеспечить надежную защиту двигателя, реле перегрузки и расцепители дополнительно оснащаются дифференциальной защитой и толкателем, который выполняет более раннее отключение.

В электронных защитных приборах рабочие токи оцениваются микропроцессором или схемой ASIC (Application Specific Integrated Circuit). В приборе полной защиты двигателя 3RB12, который кроме тока контролирует еще и температуру двигателя с помощью терморезисторов с положительным температурным коэффициентом, используется микропроцессор. Чисто с токозависимым реле защиты 3RB10 используется ASIC.

Электронные реле перегрузки характеризуются более высокой точностью срабатывания во всем диапазоне уставок и, как правило, имеют больше функций, чем тепловые приборы защиты с задержкой времени. Однозначным отличительным признаком электронных реле перегрузки являются широкие диапазоны регулирования. Благодаря наличию тепловой памяти о выполненном отключении или по истечении соответствующего времени работы моделируется время охлаждения двигателя. Это означает, что время срабатывания в горячем рабочем состоянии сокращается в зависимости от предшествующей нагрузки до 30%.

Электронное реле перегрузки 3RB10 -- это электронное токозависимое защитное устройство, которое берет на себя защиту от перегрузки двигателей переменного тока с помощью встроенных трансформаторов тока и определенной для конкретного применения схемы (ASIC).

Меньшая потребляемая мощность аппарата 3RB10 означает меньшее количество выделяемого тепла, что благоприятно сказывается на температурном режиме электрошкафа. По сравнению с тепловыми реле аппараты 3RB10 потребляют электроэнергии в сотни раз меньше.

Аппарат полной защиты двигателя 3RB12 -- это электронное реле перегрузки, которое, благодаря микропроцессору, выполняет как защиту в зависимости от силы тока и температуры, так и защиту двигателей переменного тока при замыкании на землю. Поэтому аппарат 3RB12 считается устройством полной защиты двигателя.

Благодаря встроенным термисторам с положительным температурным коэффициентом реле 3RB12 становится аппаратом полной защиты двигателя. Контролируется как потребляемый ток, так и внутренняя температура двигателя. Это особенно важно в тяжелых условиях окружающей среды и производства, при продолжительном времени разгона и для двигателей с критичным ротором.

В отличие от реле перегрузки трансформаторы тока в силовом выключателе 3WN выполняют функцию не только сбора измерительной информации, но и обеспечивают дополнительно питающее напряжение для максимальных расцепителей тока. Эта независимость от внешнего энергоснабжения в большой степени гарантирует выполнение функции защиты.

Максимальные расцепители тока обладают чувствительностью к обрыву фазы для защиты двигателя от перегрева в критическом диапазоне нагрузки. Если рабочий ток минимально нагруженной фазы на 50% меньше, чем рабочий ток максимально нагруженной фазы, то ток уставки Ir автоматически снижается до 80%.

Максимальные расцепители тока имеют в зависимости от исполнения подключаемую тепловую память. Независимо от того, подключена она или нет, выключатель после срабатывания в результате перегрузки можно включить вновь. При включенной памяти характеристика расцепления из-за предшествующей нагрузки становится столь быстродействующей, что пусковой ток двигателя может вызвать повторное расцепление. Поэтому после отключения двигателя в результате перегрузки необходимо выдержать достаточную паузу перед его новым запуском (рисунок 1, кривая 2). В максимальных расцепителях тока без тепловой памяти срабатывание из-за перегрузки не запоминается и вновь будет выдержано полное время расцепления в соответствии с настроенной характеристикой. Это делает возможным произвольно частое повторное включение двигателя непосредственно после расцепления (рисунок 1, кривая 1). Так как в этом случае не исключаются его повреждение, то силовые выключатели без тепловой памяти могут использоваться только при наличии других дополнительных мер для защиты двигателя.

Рисунок 1 -- Временная характеристика расцепителя с ЗУ и без ЗУ

Максимальный расцепитель тока силового выключателя 3WN служит не только защитой от тепловой перегрузки, но и обеспечивает защиту линий от короткого замыкания. Для предотвращения срабатывания силового выключателя из-за высоких пиков тока, возникающих при включении двигателя, безынерционный расцепитель короткого замыкания должен быть настроен на более высокое значение срабатывания, чем пик тока при включении. И, тем не менее, для достижения эффективной защиты от короткого замыкания расцепитель с кратковременной выдержкой времени настраивается на более низкое значение, а срабатывание из-за пикового тока при включении подавляется установкой задержки 20 мс.

Предпосылкой хорошей защиты двигателя является выбор правильного сенсора, его надлежащая установка в обмотку двигателя и использование соответствующего расцепителя. Чувствительный элемент определяет вид расцепителя.

Тепловые сенсоры -- это полупроводниковые сопротивления, которые изменяют свое сопротивление в зависимости от температуры. Различают терморезисторы с положительным и отрицательным температурным коэффициентом.

Для защиты двигателей переменного тока в зависимости от температуры используются терморезисторы с положительным температурным коэффициентом, так называемые PTC. Эти РТС характеризуются сильным повышением сопротивления в диапазоне номинальных температур срабатывания (рисунок 2).

Это скачкообразное изменение сопротивления преобразуется в связанном с ним расцепителе (к примеру, 3UN21) в команду, которая используется для отключения двигателя. Номинальная температура срабатывания сенсора зависит от класса изоляции двигателя.

Терморезисторы с положительным температурным коэффициентом устанавливаются преимущественно в двигателях серийного изготовления, для которых допустимые значения предельной температуры и точная тепловая характеристика определены еще до изготовления двигателя.

Биметаллические сенсоры. Наряду с полупроводниковыми сопротивлениями, которые меняют свое сопротивление в зависимости от температуры, для более простых задач используются так называемые биметаллические сенсоры. Они открывают и замыкают контакт при заданной температуре срабатывания. Эти биметаллические выключатели, так же как и полупроводниковые датчики, устанавливаются в обмотках статора. Хоть они работают и не так точно, но могут использоваться с термисторными расцепителями без определения короткого замыкания в контуре чувствительных элементов.

Полупроводниковые температурные сенсоры KTY имеют возрастающую температурную характеристику без скачкообразной функции. Они дают возможность измерения температуры обмотки. Прежде всего, их можно найти в приводах с регулированием числа оборотов. Датчики KTY соединяются с входами частотных преобразователей. Терморезисторы с положительным температурным коэффициентом устанавливаются в обмотку статора.

TNF -- номинальная температура срабатывания; x₁ -- диапазон срабатывания по VDE (расцепители 3UN2: от 2800 до 3000W); x₂ -- диапазон отключения по VDE (расцепители 3UN2: от 1650 до 1500W); x₃ -- диапазон расцепления при определении короткого замыкания в контуре температурного сенсора

Рисунок 2 -- Характеристика терморезистора с положительным температурным коэффициентом

Как правило, температурные сенсоры в двигателе подключаются последовательно и выводятся на клеммник двигателя. Количество последовательно соединенных терморезисторов с положительным температурным коэффициентом определяется суммарным сопротивлением в холодном состоянии всех подключенных терморезисторов. Например, для расцепителей 3UN2 оно составляет ?1,5kЩ.

Для нормальной работы двигателя для расцепителей установлены следующие условия работы, если в месте подключения температурного датчика отмечается переменное сопротивление:

- при значении сопротивления ?750Щ они должны включаться и отключаться;

- при повышении сопротивления они должны отключаться, если значение сопротивления находится в диапазоне между 1650 и ?4000Щ (рисунок 2);

- при понижении сопротивления в цепи датчиков от 1650 до 750Щ они должны включаться и отключаться (рисунок 2);

- при подключении сопротивления в 4000Щ и при работе расцепителя с номинальным напряжением напряжение подсоединяемого сенсора не должно превышать 7,5 В;

- при подключении емкости до 0,2мF не должно происходить заметного изменения рабочих значений прибора расцепителя.

Уже на стадии проектирования путем выбора соответствующей функции сброса может быть определен объем контроля схемы терморезистора или характеристика расцепителя после срабатывания.

Кроме этих приборов, имеются виды исполнения с различными комбинациями вспомогательных контактов. В случае исчезновения управляющего напряжения следует учитывать различные характеристики расцепителей.

При последовательном соединении более чем 3-х терморезисторов это необходимо, к примеру, при защите двигателя с переключаемыми полюсами с двумя отдельными обмотками, гарантируется исправная работа схемы вплоть до суммарного сопротивления в холодном состоянии 1,5kЩ.

При использовании терморезисторных расцепителей провода датчика зачастую проходят в непосредственной близости к сильноточным проводам. Иногда это приводит к ситуации, когда индуктивные или емкостные наводки вызывают помехи в измерительном контуре.

Схема защиты датчиков в расцепителе 3UN2 подавляет такие сигналы помехи, и провода терморезисторов не требуют дорогого экранирования.

Все расцепители работают по принципу тока покоя и осуществляют самоконтроль на обрыв проводов в цепи терморезисторов. Расцепители 3UN2131 оснащены схемой определения короткого замыкания (KSE) в цепи терморезисторов. Эта схема отключает двигатель при падении сопротивления в цепи терморезисторов ниже значения 20Щ. Тем самым определяется короткое замыкание, к примеру, в проводе терморезистора.

Провалы управляющего напряжения, которые могут возникать в распредустройстве при отключении из-за короткого замыкания или при включении крупных двигателей и трансформаторов, не оказывают влияния на срабатывание расцепителей. Ложные срабатывания могут быть исключены благодаря функции защиты от кратковременно исчезающего напряжения длительностью до 200 мсек.

Для более длительных провалов управляющего напряжения расцепитель может иметь другие характеристики в зависимости от исполнения. Различают между:

- расцепителями, которые при исчезновении управляющего напряжения более чем на 200 мсек переходят в положение «отключено» и при появлении напряжения вновь принимают первоначальное состояние, как было до исчезновения управляющего напряжения. Эти приборы используются в распредустройствах, где отсутствует контроль управляющего напряжения;

- расцепителями, которые при исчезновении управляющего напряжения не меняют своего состояния. Только при тепловой перегрузке двигателя вследствие обрыва провода и короткого замыкания в цепи терморезисторов при наличии управляющего напряжения происходит изменение состояния вспомогательных контактов. Эти приборы используются там, где отдельно контролируется управляющее напряжение.

Тепловая защита двигателя с помощью терморезисторных расцепителей главным образом применяется там, где невозможно обеспечить защиту с помощью токозависимых реле перегрузки. В таких случаях этот аппарат становится единственной защитой двигателя, либо в особо ответственных случаях он используется в сочетании с реле перегрузки.

Терморезисторные расцепители принимают на себя преимущественно функции защиты двигателя от перегрузки в следующих случаях (таблица): при продолжительном и повторно-кратковременном режимах работы; при тяжелом разгоне; при высокой частоте коммутаций; при однофазной работе и асимметрии тока; при недостаточном охлаждении.

Однако защита двигателей от короткого замыкания должна быть обеспечена установкой предохранителей или силовых автоматов.

Требуемый объем защиты с использованием терморезисторных расцепителей зависит от того, что является более уязвимым в двигателе -- статор или ротор.

Двигатели большой мощности в целом являются уязвимыми со стороны ротора. В этом случае заклиненный ротор достигает предельной температуры быстрее, чем статор, в то время как встроенные в статор температурные датчики достигают номинальной температуры срабатывания TNF с запозданием.

Дополнительное использование трехполюсного реле перегрузки или реле защиты двигателя 3RB12 повышает качество защиты, особенно при включении с заклиненным ротором из холодного состояния (см. таблицу). Реле перегрузки настраивается на номинальный ток двигателя и при этом берет на себя защиту проводов подключения двигателя.

При таком большом выборе различных устройств для пуска двигателей Siemens предлагает оптимальное решение любой задачи. Полностью интегрированная в системы автоматизации концепция пусковых устройств для двигателей позволяет предприятиям добиваться максимальной экономической эффективности.

Виды защит

Размещено на Allbest.ru