Моторни прекъсвачи

ЕлектроапаратурaСп. Инженеринг ревю - брой 7/2018 • 05.11.2018

Моторни прекъсвачи
Моторни прекъсвачи

Прекъсвачите имат една основна функция - да осигуряват електрическа защита на оборудването и веригите. Съществува обаче широка гама от прекъсвачи, включваща миниатюрни автоматични прекъсвачи – тип DIN шина или тип plug-in, прекъсвачи в отлят корпус, прекъсвачи за защита на мотори (motor protection circuit breakers, MPCB) и на моторни вериги (motor circuit protectors, MCP) и хидравлично-магнитни прекъсвачи.

Отделните продукти са подходящи за различни приложения, но всички те имат основната функция за прекъсване на опасни токове, които могат да доведат до повреда на оборудването или окабеляването, и които също представляват опасност за персонала. Всички типове, с изключение на последните два, се основават на термомагнитна защита.

Термичната защита прекъсва веригата в условия на незначителен свръхток или претоварване. Прекъсвачите имат вътрешен механизъм, който се разширява в зависимост от температурата и е калибриран така, че да прекъсва електрическия ток, когато той превишава номиналния ток на прекъсвача. Причината, поради която механизмът за термична защита е конструиран с бавна реакция, е да се позволи краткотрайно претоварване, което е нормална част от работата в много видове съоръжения. Електродвигателите например могат да поемат от 5 до 8 пъти номиналния ток по време на стартирането, но само за един миг.

Магнитната защита прекъсва токовете на утечка при повреда, които имат много по-големи величини от тези при претоварване, и възникват при неизправности във веригата, къси съединения и т. н. Както се подразбира от името й, магнитната защита се основава на индукция – бобината вътре в прекъсвача създава много силно магнитно поле, когато възникне ток на повреда, и вътрешните контакти незабавно се разединяват. Тъй като токовете на утечка при повреда представляват високорисково състояние и никога не са част от нормалната експлоатация, те трябва да бъдат елиминирани незабавно.

Дизайн на MPCB

Термичното прекъсване действа по същия начин като при термичните предпазни релета за двигател (биметални релета за претоварване) и са предмет на същите стандарти, ако се използват за моторна защита. Разединяването обикновено се извършва чрез превключвателя в прекъсвачите и води до отваряне на главните контакти.
В случая на прекъсвачи с термично забавено освобождаване при претоварване и ниски токови настройки (около

При прекъсвачи за моторна защита свръхток от 10 до 16 пъти над горната настройка на скалата незабавно предизвиква действие на електромагнитно изключване. Високоефективните двигатели може да изискват по-високи нива на магнитно прекъсване. Точната стойност на изключване е или регулируема (съвпадение на избрани различни пикови нива, съставящи тока в случай на защита на трансформатори и генератори), или се определя от конструкцията.

При прекъсвачи за защита на предприятия и линии зоната на изключване е по-ниска. При малки прекъсвачи (обикновено

Токоограничителните прекъсвачи лимитират тока на утечка при неизправност и по този начин намаляват механичните и топлинните натоварвания. Прекъсвачите с номинални токове до около 100 А, предлагани за бързо изключване при късо съединение, са с плунжерна система, която допълнително принуждава основните контакти да се отворят и следователно поддържа изключително кратки времена за прекъсване. Контактите на прекъсвачите за ограничаване на големи токове принудително се отварят в случай на късо съединение от плунжера и токът се насочва незабавно към дъгогасителните камери. Веригата се прекъсва дори докато токът все още нараства. Колкото по-бързо става прекъсването, толкова по-малко енергия трябва да се управлява в прекъсвача и размерите му могат да бъдат по-компактни.

Изискванията към главните контакти на моторните прекъсвачи са висока мощност на включване, висока способност за прекъсване, ниско разсейване на топлината при работен ток, ниска ерозия на контактите, малка инерция и оптимална форма за благоприятно движение на електрическата дъга.
Дъгата трябва бързо да бъде насочена извън зоната между контактните повърхности, да бъде охладена, разделена, разтегната и по този начин изгасена. Дейонизаторните пластини трябва да образуват функционална единица с основния контакт по отношение на формата и конфигурацията. За оптималното изпълнение на тези условия изискванията към дизайна и материалите, и не на последно място към техниките за симулация и тестване, са най-високи.
Контактните системи са конструирани така, че да осигуряват оптимално превключване при основното номинално напрежение. Броят на дейонизаторните пластини е от решаващо значение за напрежението на електрическата дъга по време на прекъсване на веригата и следователно за възможността за превключване и ограничаването на тока.

Например контактна система, проектирана за 400 V, има намален капацитет на превключване при захранващо напрежение над 400 V. Експлоатацията при 690 V може да бъде възможна само при намален капацитет на превключване. Трябва да се имат предвид експлоатационните характеристики за специфичните работни напрежения. Прекъсвачите трябва да могат да контролират възможно най-голям ток на късо съединение в мястото на инсталиране при даденото работно напрежение.

Ако превключвателната способност на прекъсвача е по-малка от необходимото, трябва да се осигури резервна защита (предпазител или последователно свързан прекъсвач). Оразмеряването на резервната защита може да се получи от документацията на продукта.
В по-ниския диапазон на мощности прекъсвачите се използват и за ръчно управление на по-малко, често подвижно оборудване и устройства (например фрези, циркуляри, потопяеми помпи). Електрическият живот на комутаторите рядко се използва изцяло при малкия брой операции, типичен за тези приложения.
В допълнение към спомагателните комутатори, прекъсвачите често са оборудвани с визуални индикатори за състоянието си по време на работа, а също и за статуса на прекъсване и причината за това. Те са ценни помощни средства при извършване на диагностика на място, при пускане в експлоатация и отстраняване на неизправности.

Шунтовите изключватели позволяват дистанционно прекъсване на веригата посредством управляващ сигнал например за електрическо блокиране. Прекъсващото устройство при ниско напрежение изключва прекъсвача, когато волтажът падне под определено ниво на прилаганото напрежение и се използва например за откриване на утечки. Тези устройства се използват по-специално като предпазни компоненти например за да се предотврати автоматично рестартиране след прекъсване на напрежението, за блокиране на вериги, за аварийно спиране и за дистанционно прекъсване.

MPCB с честотни регулатори
Веригата, обхващаща двигателното разклонение, включващо честотен регулатор (VFD) и един или повече моторни прекъсвачи, е сложна система и нейното функциониране зависи от всички компоненти, устройства, конфигурацията и свързването им. В приложения, при които MPCB трябва да се използва на изхода (натоварената страна) на VFD, трябва да се имат предвид няколко фактора поради влиянието на импулсите на напрежението и токовите хармоници. Токовите хармоници и отразените вълни на напрежението, генерирани от дългите кабели в моторните терминали, могат да имат значително отрицателно въздействие върху работата на MPCB и комутационната апаратура, ако не бъдат отчетени в подходяща степен.

MPCB са проектирани за работа в честотен диапазон до 60 Hz. Тъй като съдържат бобини за магнитна реакция при късо съединение, носещата честота на VFD трябва да бъде избрана възможно най-ниска и да не надвишава 4 kHz, за да се избегне прегряване. Действителният работен ток на мотор с MPCB трябва да бъде възможно най-близо до ниската стойност на обхвата (по настройки), за да се запази минимална загубата на мощност.

Когато MPCB, поради частично натоварен мотор, работят при токове, по-ниски от минималната текуща настройка, те обикновено не могат да се изключат термично, когато се получи допълнително нагряване в магнитната изключваща бобина. Прекъсвачът обаче постоянно изпитва натоварването на импулсите на напрежението. Чисто магнитните версии (MCP), проектирани за по-малко от 10 А с отделни биметални релета за претоварване, също не са подходящи за тези приложения, тъй като MCP нямат възможност за термично изключване за самозащита. В допълнение, биметалните релета за претоварване с мощност 1 A и по-ниска са склонни към прегряване и вероятно няма да сработят за самозащита.

Съществуват различни варианти на решения за филтриране, с които да се намали времето за нарастване на напрежението или появата на отразени вълни. Прилагането на филтърни решения като линейни реактори и реактори за отразени вълни може да бъде полезно по отношение на редукция на времето за повишаване на напрежението, докато прилагането на синусоидни филтри би елиминирало появата на отразени волтови вълни.

Предпазни устройства за моторни електрически вериги
Първоначалното стартиране след инсталиране на оборудване или подмяна на защитата на съществуващо оборудване е свързано с висок пусков ток. В зависимост от вида на двигателя и други параметри на веригата продължителността на този начален пик на тока може да достигне от 1/2 до два пълни цикъла, преди да се сведе до работния ток на мотора. Например работният ток за даден двигател може да бъде 1 А, но падът до това ниво може да отнеме цели 0,05 секунди. MCP трябва да може да поеме високия пусков ток без да се задейства.

Ако защитата на прекъсвача е преоразмерена, то той може да не се задейства по време на пик на тока, което ще доведе до изгаряне на двигателя и необходимост от преждевременната му подмяна. Това означава допълнителни разходи за завода – не само за нов мотор и работна ръка за монтажа му, но и за отстраняване на неизправности, за да се зададе защита на веригата за този нов двигател. Ако защитата на прекъсвача е недооразмерена, то смущаващите изключвания стават проблем, което означава, че трябва да се отделя повече време за настройка. Решението е да се намери границата между преоразмеряването и недооразмеряването на защитата и съответният прекъсвач да се настрои съобразно това.

Ограничения на MCP
Конвенционалните MCP са донякъде лимитирани, тъй като въпреки че са проектирани да защитават “обратно” след първоначалния пик на тока, все още може да има пролука в защитата над точката на напрежението при неподвижен ротор на мотора. Например производителят може да настрои MCP за защита от до 15 А пусков ток преди връщането до защита за работен ток от 8 A. Възможно е обаче големината на тока при неподвижен ротор (например 3 A) да не е била известна при настройката на MCP. Това създава пролука между тока при неподвижен ротор (3 А) и максималната защита за работния ток (8 А). С други думи, MCP няма да се задейства, докато не регистрира 8 А ток, но един пик може да намали експлоатационния живот на мотора, предизвиквайки необходимост от ранна замяна и свързаните с нея разходи.

Разработени са математически уравнения за намаляване на тази пролука в защитата, включващи тока на неподвижния ротор и фактори като процентно натоварване, работна температура и стартови характеристики. Въпреки че тези изчисления се използват в продължение на десетилетия, те отнемат време и не предлагат гаранция, че се постига тънката линия между защита от късо съединение и претоварване.
В предишния пример изчисленията могат да намалят пролуката с 2 А, което означава, че MCP няма да се задейства, докато не отчете ток 6 А. Въпреки това все още съществува опасност от изгаряне на мотора.

Друга алтернатива са електронните MCP, които използват вътрешен микропроцесор, за да се изчислят необходимите алгоритми и да се намали не само големината на пролуката при защитата от късо съединение при първоначален токов пик, но и да се елиминира изцяло. Например електронно MCP може да бъде настроено да поеме първоначалния токов импулс от 8 A, след което автоматично да настрои защитата към тока на неподвижен ротор от 4 А, позволявайки на двигателя да работи на подходящ работен ток. В случай на късо съединение микропроцесорът ще нареди на прекъсвача да се задейства мигновено.

Новият брой 7/2018

брой 7-2018

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

Top