Руководство по устройству электроустановок - Асинхронные двигатели

М - Особые источники питания и нагрузки
Асинхронный (т.е., индукционный) двигатель надежен в эксплуатации и имеет широкое применение. 95% двигателей, установленных во всем мире, являются асинхронными. Поэтому защита таких двигателей является важным вопросом во многих областях применения.

Рис. M5i: Характеристики пускового тока асинхронного двигателя
5 Асинхронные двигатели
Последствия несоответствующей защиты двигателя включают следующее:
Для людей:
Удушье из-за остановки двигателя вентилятора
Поражение электротоком из-за пробоя изоляции двигателя
Травма из-за невозможности остановки двигателя из-за отклонения цепей управления при срабатывании неправильно выполненной максимальной защиты
Для приводных машин и технологических процессов
Повреждение сцепных муфт для валов, осей и т.д. из-за заторможенного ротора
Производственные потери
Задержка изготовления
Для двигателя
Перегорание обмоток из-за заторможенного ротора
Затраты на демонтаж и установку двигателя заново или замену двигателя
Затраты на ремонт двигателя
Именно безопасность людей и имущества и уровни надежности и готовности зависят от выбора защитного оборудования.
С экономической точки зрения учитываются общие затраты по устранению повреждения; такие затраты растут по мере увеличения габаритов и мощности двигателя и усложнения доступа к нему для ремонта. Производственные потери - столь же важный фактор. Конкретные рабочие характеристики двигателя определяют выбор цепей электропитания, требуемых для удовлетворительной работы.
Цепи питания двигателя налагают определенные ограничения, нормально (обычно) не налагаемые на другие (общие) распределительные цепи, в силу особых характеристик, присущих двигателю, таких как:
Большой пусковой ток (см. Рис. М56), в основном, реактивный, который может стать причиной значительного падения напряжения
Большое число и частота запусков
Большой пусковой ток означает, что устройства защиты от перегрузки должны иметь рабочие характеристики, предотвращающие отключение в период запуска.
5.1 Функции цепи двигателя
Стандартные функции:
Основные функции, включая:
Устройства для отключения
Управление двигателя (местное или дистанционное)
Защита от КЗ
Защита от перегрузки
Дополнительные средства защиты, включая:
Тепловая защита посредством непосредственного измерения температуры обмотки
Тепловая защита посредством косвенного измерения температуры обмотки
Непрерывный контроль сопротивления изоляции
Специальные функции защиты двигателя
Специальные устройства управления, включая:
Электромеханические пускатели
Устройства защиты и управления (CPS)
Контроллеры (устройства) плавного пуска
Регулируемые приводы
Основные функции
Отключение
Необходимо полное или частичное отключение от их сети питания для обеспечения безопасности персонала при проведении техобслуживания. Эта функция выполняется разъединителями. Могут использоваться и другие устройства, предназначенные для обеспечения отключения, такие как разъединители/выключатели.
Управление двигателем
Функция управления двигателем состоит во включении и отключении тока двигателя. В случае ручного управления эта функция может выполняться выключателями (автоматами) или выключателями (рубильниками) двигателя. В случае дистанционного управления эта функция выполняется контакторами, пускателями или устройствами CPS. Функция управления может также инициироваться другими средствами:
Защита от перегрузки
Дополнительная защита
Отключение при снижении напряжения (требуется для многих машин)
Функция управления может также выполняться специальными устройствами управления.

Защита от коротких замыканий (КЗ)
Междуфазное КЗ
Этот тип повреждения внутри машины крайне редок. Как правило, его причиной является механическое повреждение кабеля, питающего двигатель.
Замыкание фазы на землю
Ухудшение состояние изоляции обмотки является основной причиной. Ток такого повреждения зависит от системы заземления. Для системы заземления TN характерен очень высокий ток повреждения и в большинстве случаев повреждается двигатель. Для других систем заземления защита двигателя обеспечивается посредством защиты от замыкания на землю.
При выборе защиты от КЗ рекомендуется обратить особое внимание на предотвращение внезапных отключений в период пуска двигателя. Ток включения (пусковой ток) стандартного двигателя в 6-8 раз выше его номинального тока; при повреждении он в 15 раз выше номинального тока. Поэтому, пусковой ток не должен приводить к срабатыванию средств защиты. Кроме того, повреждение в цепи двигателя не должно нарушать работу других цепей перед ней. Принцип селективности магнитной максимальной защиты должен применяться ко всем частям электросистемы.
Защита от перегрузки
Механические перегрузки из-за приводимых в движение узлов являются основными причинами перегрузки двигателя. Они приводят к току перегрузки и перегреву двигателя. Срок службы двигателя может сокращаться и в некоторых случаях двигатель может повреждаться. Поэтому необходимо обнаруживать перегрузку двигателя. Такая защита может обеспечиваться следующими средствами:
Специальное реле тепловой защиты
Специальный термомагнитный выключатель (автомат с комбинированным расцепителем), обычно называемый «выключателем двигателя»
Дополнительные средства защиты (см. ниже), такие как тепловой датчик или электронное реле защиты от повреждения
Электронные регуляторы плавного пуска или регулируемые приводы (см. ниже)

Дополнительные средства защиты
Тепловая защита путем непосредственного измерения температуры обмотки Обеспечивается термодатчиками, встроенными внутрь обмоток двигателя, и сопутствующих реле
Тепловая защита посредством косвенного определения температуры обмотки Обеспечивается микропроцессорным реле путем измерения тока и расчетом, учитывающим характеристики двигателей (т.е. термическую постоянную времени).
Реле непрерывного контроля сопротивления изоляции или дифференциальные реле защиты от замыканий на землю (УЗО)
Обеспечивают обнаружение и защиту от тока утечки на землю и замыкания на землю, позволяя проводить техобслуживания до выхода двигателя из строя
Специальные функции защиты двигателя
Такие функции, как защита от затянувшегося запуска или заторможенного ротора, защита от несимметрии, обрыва или неправильного чередования фаз, защита от замыкания на землю, защита от работы без нагрузки, защита от заторможенного ротора (при пуске или после пуска)...; предупреждающая сигнализация (индикация) перегрева, связь - могут быть обеспечены примененим многофункциональных реле.
Специальные устройства управления
Электромеханические пускатели (звезда-треугольник, автотрансформатор, реостатные (роторные) пускатели,.)
Как правило, используются при холостом ходе в течение пускового периода (насос, вентилятор, небольшая центрифуга, станок и т.д.)
Преимущества
Хорошее отношение момент/ток; значительное снижение пускового тока.
Недостатки
Низкий момент при пуске; отсутствие средств регулирования; отключение питания при переходных процессах; требуется 6 соединительный кабелей.
Устройства защиты и управления (CPS)
Обеспечивают основные перечисленные выше функции в рамках одного блока, а также некоторые дополнительные функции и возможность передачи данных. Кроме того, такие устройства обеспечивают сохранение работоспособности в случае КЗ.
Регуляторы плавного пуска
Используются для насосов, вентиляторов, компрессоров, конвейеров.
Преимущества
Ограничение пика тока, падения напряжения, механических напряжений при пуске двигателя, встроенная тепловая защита, компактность, возможность передачи данных
Недостатки
Низкий момент в течение пускового периода; теплоотдача.
Регулируемые приводы
Используются для насосов, вентиляторов, компрессоров, конвейеров, машин с большим моментом нагрузки, машин с большой инерцией.
Преимущества
Непрерывное регулирование скорости (как правило, в диапазоне 2-130% от номинальной скорости), возможность превышения скорости; регулирование ускорения и торможения; высокий момент при пуске и останове; низкий пусковой ток; встроенная тепловая защита; возможность передачи данных.
Недостатки
Высокая теплоотдача, объем, стоимость.
5.2 Стандарты
Управление и защита двигателя могут обеспечиваться различными способами:
Посредством использования устройств защиты от КЗ (SCPD) и электромеханических устройств, таких как
Электромеханические пускатели по стандарту IEC 60947-4-1
Полупроводниковые пускатели по стандарту IEC 60947-4-2
Регулируемые приводы по стандарту IEC 61800
Посредством использования одного устройства управления и контроля CPS, выполняющего все основные функции, по стандарту IEC 60947-6-2
В данном документе рассматриваются только цепи двигателя, включая сопутствующие электромеханические устройства, такие как пускатели и средства защиты от КЗ. Устройства по стандарту 60947-6-2, полупроводниковые пускатели и регулируемые приводы рассматриваются только со специальной точки зрения.
Цепь двигателя соответствует требованиям IEC 60947-4-1 и, главным образом, рассматривается i следующих аспектах:
Координация между устройствами цепи двигателя IEC 60947-6-2
Класс отключения тепловых реле
Категория использования контакторов
Координация уровней изоляции
Примечание: Первый и последний пункты выполняются для всех устройств по стандарту IEC 60947-4-1, поскольку они обеспечивают непрерывность работы.
Стандартизация группы выключатель + контактор + тепловое реле Категория использования контакторов
Стандарт IEC 60947-4-1 указывает категории использования, что значительно облегчает выбор соответствующего контактора для заданной области применения. Категории использования включают рекомендации по следующих элементам:
Диапазон функций, которые может выполнять контактор
Требуемая отключающая способность и максимальный ток включения
Стандартные значения для испытаний при длительных нагрузках по категориям использования. Рис. М57 содержит некоторые типовые примеры категорий использования.

                                 *Цепи для типов А и В (в случае центрального источника аварийного освещения) должны быть огнестойкими. Соединительные муфты распределительных щитов и т.д. должны проходить испытания на термическую стойкость в соответствии с национальными стандартами или цепи должны устанавливаться в защитных кабельных лотках, желобах и т.д., обеспечивающих удовлетворительную работу цепей в течение минимум одного часа в случае пожара.

    **Для кабельных цепей типа С не требуется соблюдение правил (1)

Fig. M57: Категории использования контакторов
Примечание: Эти категории адаптированы для устройств по другим стандартам. Например, AC-3 становится AC-53 для полупроводниковых пускателей (IEC 60947-4-2) и AC-43 для устройств CPS (IEC 60947-6-2)

Среди многих возможных методов защиты двигателя комбинация выключатель + контактор + тепловое реле(1) обеспечивает многие преимущества
Типы координации
Для каждой группы устройств указывается тип координации в соответствии с состоянием компонентов после отключения выключателя при повреждении или отключения контактора при перегрузке.
Стандарт IEC 947-4-1 определяет два типа координации (тип 1 и тип 2), которые устанавливают максимальные допустимые пределы ухудшения рабочих параметров распределительного устройства в случае короткого замыкания.
Независимо от типа координации, требуется, чтобы контактор или пускатель никогда не представляли угрозу для персонала и для установки. Ниже приводятся характеристики каждого типа: Тип 1
Ухудшение рабочих характеристик пускателя допустимо после короткого замыкания и рабочее состояние пускателя может быть восстановлено после ремонта или замены некоторых частей.
Тип 2
Перегорание и риск приваривание контактов контактора являются единственными допустимыми рисками.
Какой тип выбрать?
Тип координации зависит от параметров эксплуатации и должен выбираться для (оптимального) удовлетворения потребностей пользователя с учетом стоимости установки. Тип 1
Квалифицированное техническое обслуживание
Снижение объема и стоимости распределительного устройства
Может быть не пригоден для дальнейшей работы после короткого замыкания без ремонта или замены частей.
Тип 2
Только мелкий ремонт после короткого замыкания для дальнейшего использования.
5.3 Области применения
Система управления и защиты двигателя может включать один, два, три или четыре различных устройства, которые выполняют одну или несколько функций.
В случае комбинации нескольких устройств координация между ними важна для обеспечения оптимизированной защиты двигателя.
Для защиты цепи двигателя необходимо учитывать многие параметры, которые зависят от следующего:
Область применения (тип приводимой машины, безопасность работы, число включений и т.д.) Требуемая непрерывность работы Действующие нормы техники безопасности. Требуется обеспечение разнообразных электротехнических функций:
Пуск, нормальный режим работы и останов без внезапного отключения с выполнением требований к управлению, число включений, требования к долговечности и правила техники безопасности (аварийные остановы), а также защита цепи и двигателя, отключение для обеспечения безопасности персонала при проведении техобслуживания.
Основные схемы защиты: выключатель + контактор + тепловое реле Преимущества
Комбинация устройств облегчает монтаж, эксплуатацию и техобслуживание за счет следующего:
Сокращение объема техобслуживания: для выключателей не требуется замена перегоревших предохранителей, не требуется хранение запчастей (различных размеров и типов)
Улучшение непрерывности работы: установка может включаться сразу после устранения повреждения и проверки пускателя
Возможность легкой установки дополнительных устройств, иногда требуемых для цепи двигателя
Отключение всех трех фаз гарантируется (тем самым предотвращается возможность режима однофазного включения)
Возможность отключения тока полной нагрузки (с помощью выключателя) в случае повреждения контактора, например, сплавление контактов Блокировка
M45
Разнообразные средства дистанционной индикации

Комбинация контактора с тепловым реле часто называется пускатель

Повышенная степень защиты пускателя в случае перегрузки по току и в частности при КЗ через сопротивление (1), соответствующего токам прибл. в 30 раз выше In двигателя (см. Рис. М58).
Возможность добавления УЗО:
Предотвращение риска пожара (чувствительность 500 мА)
Защита от выхода двигателя из строя (короткое замыкание пластин магнитопровода) за счет раннего обнаружения токов утечки на землю (чувствительность 300 мА-30А)

Рис. M5t: Характеристики отключения для комбинации выключатель + контактор + тепловое реле(1)

Заключение
Комбинация выключатель + контактор + тепловое реле (1) для управления и защиты цепей двигателя особенно подходит для следующих случаев:
Снижение объема необходимо техобслуживания установки, как правило, такое снижение требуется для предприятий сферы обслуживания и малых и средних промышленных предприятий
Дополнительные функции предусмотрены технологическим заданием
Существуют определенные требования на отключение нагрузки для проведения техобслуживания.
Основные элементы успешной комбинации выключатель + пускатель
Стандарты точно определяют элементы, которые необходимо учесть для обеспечения соответствующей координации типа 2:
Абсолютная совместимость теплового реле пускателя и электромагнитного расцепителя выключателя. На Рис. М59 тепловое реле защищено, если его предельная граница по термической стойкости расположена справа на кривой срабатывания электромагнитного расцепителя выключателя. В случае выключателя двигателя, имеющего магнитное и тепловое реле, координация должна быть предусмотрена в конструкции.

        В большинстве случаев короткие замыкания возникают в двигателе, так что ток ограничивается кабелем и проводкой пускателя. Такие короткие замыкания называются замыканиями через сопротивление.

Рис. М5\: Предел теплового реле по термической стойкости должен быть справа на кривой срабатывания электромагнитного расцепителя выключателя
Комбинация контактора с тепловым реле часто называется пускателем

Невозможно рассчитать отключающую способность при КЗ для комбинации выключатель + контактор. Только лабораторные испытания, проводимые изготовителями, позволяют определить такую мощность. Так, компания Schneider Electric приводит соответствующую таблицу для комбинации выключателей Multi 9 и Compact, тип МА, с различными типами пускателей

Рис. М61: Выключатель и контактор, установленные в непосредственной близости

Рис. 6 : Выключатель и контактор, установленные отдельно

Рис. М6л: Защита от перегрева с помощью тепловых датчиков
Отключающая способность при максимальном допустимом токе для контактора должна быть выше, чем ток, соответствующий уставке электромагнитного расцепителя выключателя.
При коротком замыкании поведение контактора и его теплового реле должно соответствовать требованиям определенного типа координации.
Отключающая способность при коротком замыкании для комбинации выключатель + контактор или пускатель
Отключающая способность при КЗ, которая должна сравниваться с ожидаемым током КЗ, определяется следующим образом:
Как отключающая способность комбинации выключатель + контактор, если выключатель расположен в непосредственной близости от контактора (см. Рис. М60) (в одной секции шкафа управления двигателем). Короткое замыкание за комбинацией ограничивается, в некоторой степени, полными сопротивлениями контактора и теплового реле. Поэтому, такая комбинация может использоваться в цепи, для которой ожидаемый уровень тока КЗ превышает номинальную отключающую способность при КЗ для выключателя. Эта возможность часто представляет значительное экономическое преимущество.
Или как отключающая способность только выключателя в случае, когда контактор отделен от выключателя (см. Рис. М61) при существовании риска короткого замыкания между пускателем (или контактором) и выключателем.
Выбор электромагнитного расцепителя мгновенного действия для выключателя
Уставка срабатывания этого расцепителя не должна быть меньше 12 In для предотвращения внезапного отключения из-за первого пика тока при пуске.
Дополнительные средства защиты
Дополнительные средства защиты включают:
Тепловые датчики в двигателе (обмотки, подшипники, каналы охлаждающего воздуха и т.д.)
Многофункциональные устройства защиты (совокупность функций)
Устройства защиты от повреждения изоляции двигателя
Тепловые датчики
Используются для обнаружения ненормального повышения температуры в двигатели путем непосредственного измерения. Как правило, эти датчики встроены в обмотки статора (для низковольтных двигателей). Сигналы датчиков обрабатываются соответствующим управляющим устройством, отключающим контактор или выключатель (см. Рис. М62).
Многофункциональное реле защиты двигателя от повреждения
Многофункциональное реле, связанное с рядом датчиков и блоками индикации, обеспечивает защиту двигателя и приводной машины. Выполняет функции защиты в следующих случаях:
Тепловая перегрузка
Заторможенный ротор или затянувшийся пуск
Перегрев
Небаланс фазных токов, обрыв одной фазы, обратное вращение
Замыкание на землю (с помощью УЗО)
Холостой ход, заторможенный ротор при пуске Основные преимущества:
Комплексная защита, обеспечение надежного эффективного и непрерывного контроля/ управления
Эффективный контроль всех технологических режимов двигателя
Сигнализация и индикация
Возможность передачи данных по сети связи
Пример: Реле LR6 Telemecanique с функцией непрерывного контроля/управления и связью по шине или блок контроля неисправностей LUCM и модуль связи для TeSys, модель U.
Превентивная защита для стационарных двигателей
Эта защита связана с непрерывным контролем уровня сопротивления изоляции стационарного двигателя. Такой контроль позволять предотвратить отрицательные последствия повреждения изоляции в процессе работы, включая:
Отказ при запуске или ненадлежащая работа двигателя, используемого в аварийных системах
Производственные потери
Этот тип защиты необходим для двигателей основных служб и аварийных систем, особенно в условиях высокой влажности и/или содержания пыли. Такая защита предотвращает выход двигателя из строя из-за замыкания на землю при пуске (одно из наиболее частых повреждений) путем предупреждения о необходимости техобслуживания для восстановления двигателя до удовлетворительного рабочего состояния.

Пример применения:
Система противопожарной защиты, «спринклерные» насосы, ирригационные насосы для сезонных работ и т.д.
Рис. Мб': Пример использования реле RH99M
Пример: Реле Vigilohm SM21 (Merlin Gerin) обеспечивает непрерывный контроль изоляции двигателя и звуковую и визуальную сигнализацию любого ненормального снижения уровня сопротивления изоляции. Кроме того, при необходимости реле может предотвращать любую попытку запуска двигателя (см. Рис. М63).

Рис. М63: Превентивная защита стационарных двигателей
Ограничительные устройства защиты
Дифференциальные устройства защиты нулевой последовательности (УЗО) могут обладать высокой чувствительностью и обнаруживать низкие значения тока утечки на землю при повреждении изоляции (физическое повреждение, загрязнение, чрезмерная влажность и т.д.). Некоторые модели УЗО (с сухими контактами, специального назначения) обеспечивают следующее:
Предотвращение выхода двигателя из строя (при закорачивании и/или коротких замыканиях пластин магнитопровода) из-за замыкания на землю через дугу. Такое устройство защиты может обнаруживать медленно развивающееся повреждение при токах утечки в диапазоне 300 мА - 30А с учетом характеристик двигателя (чувствительность: прибл. 5% In).
Снижение риска пожара: чувствительность У 500 мА Например, реле RH99M (Merlin Gerin) обеспечивает (см. Рис. М64):
5 уровней чувствительности (0,3, 1, 3, 10, 30А)
Селективность или возможность учета конкретного режима работы за счет 3 возможных выдержек времени (0, 90, 250 мс)
Автоматическое отключение при повреждении цепи от трансформатора тока к реле
Защиту от нежелательных отключений
Изоляцию компонентов цепи постоянного тока: Класс А

Важность ограничения падения напряжения на двигателе при пуске
Для того, чтобы двигатель запускался и выходил на свои нормальные обороты за соответствующее время, момент двигателя должен превышать момент нагрузка как минимум на 70%. Однако, пусковой ток намного превышает ток двигателя при полной нагрузке. В результате, отмечается крайне высокий уровень падения напряжения, момент двигателя значительно уменьшается (момент двигателя пропорционален U2), что может привести (в крайнем случае) к невозможности запуска двигателя. Пример:
При напряжении 400В, поддерживаемом на зажимах двигателя его момент в 2,1 раза превышает момент нагрузки
При падении напряжения 10% при пуске момент двигателя составит 2,1 х 0,92 = 1,7 раз выше момента нагрузки, и двигатель нормально выйдет на свои номинальные обороты
При падении напряжения 15% при пуске момент двигателя составит 2,1 х 0,852 = 1,5 раз выше момента нагрузки - время пуска двигателя будет выше нормы.
Как правило, рекомендуемое максимальное допустимое падение напряжение при пуске двигателя составляет 10% Un.
5.4 Максимальные номинальные значения для двигателей, устанавливаемых для потребителей с питанием от низковольтной сети
Нарушения, возникающие в низковольтных распределительных сетях при запуске мощных двигателей переменного тока непосредственно от сети, могут создавать значительные проблемы для соседних потребителей. Поэтому большинство энергосистем общего пользования установило строгие правила, направленные на ограничение таких нарушений до допустимых уровней. Величина нарушения, создаваемого заданным двигателем, зависит от «прочности» сети, т.е., от уровня тока КЗ в соответствующей точке. Чем выше ток, тем «прочнее» сеть и ниже нарушение (главным образом падение напряжения), испытываемое соседними потребителями. Типовые значения максимального допустимого пускового тока и соответствующие значения максимальной номинальной мощности для двигателей с питанием непосредственно от сети приводятся на Рис. М65 и Рис. М66 (эти значения применяются для распределительных сетей многих стран).

Рис. U6i: Максимальные допустимые значения пускового тока для низковольтных двигателей с питанием непосредственно от сети (230/240В)

Рис. Мб!: Максимальные допустимые значения номинальной мощности для низковольтных двигателей с пуском непосредственно от сети
Поскольку даже в зонах питаний только от одной энергосистемы существуют как «слабые» участки сети, так и «сильные», рекомендуется заключать соглашение с поставщиком электроэнергии перед приобретением двигателей под новый проект.
Существуют другие (но, как правило, большей стоимости) альтернативные методы пуска, которые снижают большие пусковые токи двигателей с пуском прямо от сети до приемлемых уровней; например, пусковой переключатель со звезды на треугольник, коллекторные двигатели, электронные устройства «плавного пуска» и т.д.
5.5 Компенсация реактивной мощности (компенсация коэффициента мощности)
Метод для корректировки коэффициента мощности указывается в разделе К.