Пуск и защита на асинхронни електродвигатели

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 8, 2011

Пуск и защита на асинхронни електродвигателиПуск и защита на асинхронни електродвигателиПуск и защита на асинхронни електродвигателиПуск и защита на асинхронни електродвигателиПуск и защита на асинхронни електродвигатели

  Осигуряването на продължителен експлоатационен срок на асинхронните електродвигатели при често твърде тежките условия на работа, на които са подложени, поставя определени изисквания към тяхната конструкция, параметри, начин на действие и схема на свързване. От многобройните технически и технологични решения за удовлетворяването им в настоящата статия се разглеждат контакторите за включване и изключване заедно със защитите, задействани при нарушаване на нормалните работни режими.

Контактори
Общи сведения и параметри. Служат за включване и изключване чрез своя мощна контактна група на електродвигатели с номинални работни токове (Rated Operational Current) Ie от няколко А до няколко kA, като задължително са взети мерки за свеждане до минимум на искренето. Освен мощните контакти, те обикновено имат и един или два нормално отворени и/или нормално затворени спомагателни контакти за сигнализация и за активиране на допълнителни маломощни устройства. Най-голямо приложение в Европа имат контакторите от категориите АС-3 и АС-4 на стандарта IEC 60947-4-1 на Международната електротехническа комисия и на европейските норми EN 60947-4-1. Първата категория е на електродвигатели, включвани само при неподвижен ротор, когато максималният им консумиран ток се означава с LRA (от Locked Rotor Amps) и е една от величините за избор на контактора. Друга величина е максималният ток при отваряне на контакта FLA, получаван при максимален товар (Full-Load Amps). Категорията АС-4 е за електродвигатели, които трябва бързо да се включват, изключват и реверсират и при тях изборът се прави само по LRA. Освен контакторите с общо предназначение, съществуват и контактори за конкретни приложения (Definite Purpose Contactor), избирани по FLA и LRA и имащи типични приложения в климатици, офис оборудване, хладилници, помпи и компресори.

Параметър на контакторите са и работното напрежение на електродвигателя с типични стойности 208 V, 220-230-240 V, 380-400 V, 415 V, 440 V, 480 V, 500 V, 575/600 V и 690 V и тяхната максимална мощност. В съответствие с нормативите UL/CSA на международните организации Underwriters Laboratories и CSA International, тя се дава в конски сили (от 0,1 НР до над 1000 НР), а според тези на IEC – в kW. Изолационното напрежение (Insulation Voltage) Ui e максималното, което може да се приложи върху отворения мощен контакт без опасност от пробив. Максималната честота на превключване (Maximal Switching Frequency) е броят на превключванията за 1 час с типични стойности между няколко стотици и няколко хиляди. Гарантираният брой превключвания (Electrical Durability) е обратнопропорционален на тока на управлявания електродвигател и обикновено се определя от графика в техническата документация на контактора. Пример за подобна графика на фамилия контактори е даден на фиг. 1, като по абсцисата е токът, а по ординатата – броят превключвания. Вижда се, че последният контактор при ток 79 А осигурява 1,5.106 комутации. Всяка от графиките завършва при максималния ток на апарата.

Видове контактори според задействането. Масово използваните контактори се задействат чрез електромагнитно поле (Magnetic Contactor), което се създава от специална бобина (Coil). В зависимост от нейното напрежение (Control Voltage), съществуват три вида контактори. При постояннотоковите (DC Operated) бобината се захранва с постоянно напрежение, което в зависимост от модела й може да е между 9 и 500 V и най-често е 24 V. Бобината има отделна намотка за задействане (Pull-in) на контактите с типична консумирана мощност няколко стотици W и такава за задържането им (Holding), която консумира няколко W. Предимство на тези контактори е безшумната работа на намотките, което ги прави предпочитани за инсталиране в тихи помещения. Вторият вид са променливотоковите контактори (AC Operated), чиято бобина се захранва с напрежение между 24 и 600 V с мрежова честота и консумира при задействането между няколко десетки VА и няколко kVA и при задържане – между няколко VА и няколко десетки VА. При работата им се чува шум, макар не силен. Трети вид са комбинираните контактори (AC&DC Operated) с подобни на предните напрежения и мощности.

С типа на бобината са свързани два от параметрите на контакторите – времето на затваряне на мощните контакти (Pickup Time), което започва в момента на подаване на напрежение на намотката за задействане и времето на отваряне (Dropout Time), съответно, от момента на прекъсване на тока на намотката за задържане. Типичните стойности на двете времена са 10-30 ms.

Трябва да се има предвид, че твърде често производителите предлагат набор от бобини, всяка от които е предназначена за определена група контактори от дадена серия. Съществуват и специални бобини 24 V/500 mA за управление непосредствено от програмируеми логически контролери (PLC).

Намотката за задействане е твърде нискоомна и затова е възможно при отдалечен източник на захранването й, нейното напрежение да намалее поради пада върху свързващите проводници. В някои каталози се дават номограми за определяне на максимално допустимата дължина при различни сечения на проводниците, която води до намаляване с 5% на напрежението на намотката.

За маломощни еднофазни и трифазни електродвигатели (до десетина kW) се използват и контактори с ръчно задействане (Manual Contactor, Manual Switch).

Видове контактори според мощните контакти. Двуполюсните контактори (2-pole Contactor) имат два мощни контакта и се използват за еднофазни електродвигатели като прекъсват фазата и нулата. От своя страна, триполюсните контактори (3-pole Contactor) са предназначени за електродвигатели със статор в схема “триъгълник”, като трите контакта имат типична схема на свързване, показана на фиг. 2. При затваряне на спомагателния контакт SW1 протича ток през начертаната със сива линия бобина М и затваря трите мощни контакта М. С OL са означени разгледаните по-нататък защити срещу претоварване. Аналогично е действието на четириполюсните контактори (4-pole Contactor), които са за статори в схема “звезда”. Полезно е да се има предвид наличието на контактори с два нормално отворени и два нормално затворени мощни контакти.

Нереверсивните контактори (Non-reversing Contactor) осигуряват една посока на въртене, докато тези с реверсивните (Reversing Contactor) позволяват смяната й. Принципът на действие на последните е даден на фиг. 3, като с F са означени затваряните за въртене в права посока контакти, а с R – тези за обратна посока, като за всяка от групите има отделна бобина.

Видове контактори според конструкцията. Миниатюрните контактори (Mini Contactor) са максимално компактни и се предлагат като 3- и 4-полюсни, обикновено за мощности до 5-6 kW. За улеснение на монтажа и поддръжката на системи с повече контактори и лесното съчетаване на контакторите с други устройства съществуват различни техни конструктивни решения, често със специфични фирмени наименования. Такива са Block Contactor за монтаж върху лицев панел в съответствие с изискванията на IEC 947.2.1, Installation Contactor за монтаж върху DIN шини, Bar Mounted Contactor, предлагани по два или повече фабрично монтирани върху шина и др.

При управление на товари с напрежение над около 1 kV става твърде трудно да се осигури достатъчно разстояние между пластинките на отворените контакти, което обяснява съществуването на вакуумни контактори. Всеки от техните мощни контакти е във вакуумирана капсула, благодарение на което типичните работни напрежения достигат 7,2 kV, а мощностите са до около 4 MW при гарантирани средно 106 прекъсвания.

В последните години твърде бързо нараства количеството и разнообразието на модели на електронни контактори (Electronic Contactor), в които успоредно на всеки мощен контакт е свързан подходящ полупроводников прибор (обикновено симетричен тиристор), а често използваното друго наименование е хибридни контактори (Hybrid Contactor). Пускането на електродвигателите става чрез отпушване на тиристорите, след което се затварят механичните контакти. Така се избягва от една страна големият импулсен ток през последните и от друга - значителната разсейвана мощност върху тиристорите (например при ток 100 А и напрежение върху тях 1 V тя е по 100 W). Следва запушване на тиристорите, които остават в това състояние през цялото време на работа на електродвигателя. Те се отпушват отново преди изключването на електродвигателя, след което се отварят мощните контакти, като прекъсват твърде слабия ток през тях и накрая тиристорите се запушват. Този начин на изключване увеличава значително гарантирания брой на комутации. Описаното действие се управлява от микропроцесор, вграден в контактора.

Защити
В процеса на експлоатация на електродвигателите техните токове, напрежения и температура могат за кратко или по-продължително време да излязат извън допустимите граници за нормална работа и да предизвикат повреди. За предпазване от тях като елемент на управлението са блокове за осигуряване на една или повече защити.

Термична защита срещу претоварване (Thermal Overload Protection) ТОР. Температурата на електродвигателите е пропорционална на протичащия през тях ток и затова надхвърлянето на неговата максимално допустима стойност води до прегряване. Предпазването от него се осигурява от термичната защита, която е вероятно най-масово използваната и изключва електродвигателите, когато токът им за даден интервал от време е над определена стойност. С това се гарантира тяхната нормална работа при пускане и краткотрайни претоварвания, например поради голям механичен товар.

Начинът на действие на защитата се изяснява чрез фиг. 4, по абсцисата на която е максимално допустимото време на претоварване в минути, а по ординатата е процентът на тока на електродвигателя от максимално допустимия му за непрекъсната работа. От индивидуалната за всеки електродвигател крива на максималното безопасно натоварване може да се определи най-голямото допустимо време за даден ток – например при ток със стойност 300% от номиналния, то е малко над 3 минути. Времето за задействане на защитата се определя от кривата на времето за изключване – за примера то е около 30 секунди. Изборът на хода на последната крива е една от първите стъпки в проектирането на защитата срещу претоварване на всеки електродвигател.

Термичната защита срещу претоварване се задейства при фиксирана стойност на величината I2t (I e токът на електродвигателя и t е времето на протичането му), наричана Let-Through Energy, т. е. при по-голям ток времето на задействане намалява. За реализацията й се използват релета за претоварване (Overload Relay), които след отстраняване на претоварването могат да рестартират електродвигателя ръчно или автоматично (Self-Resetting). Трите основни вида характеристики на термичните защити са показани на фиг. 5, всяка от които е за дадена стойност на I2t. Трите класа са в съответствие с нормативите на Националната асоциация на производителите на електрооборудване NEMA. По абсцисата е отношението на тока на претоварване към номиналния ток на електродвигателя, а по ординатата – минималното време на задействане (Tripping Time). Например, реле Class 10 при ток 7 пъти по-голям от минималния ще се задейства най-малко след 4 s, а реле Class 20 – след 15 s. Числото на класа показва (според стандарта IEC947-4-1) максималното време на задействане на незагрято реле при ток 7,2 пъти над номиналния, докато минималното време е около 3 пъти по-малко (то е даденото на графиките). Съществуват още Class 15 с графика приблизително по средата на тези на Class 10 и Class 20, както и Class 10A, различаващ се от Class 10 по минималното си време на задействане от 2 s. За електродвигатели, които изискват много бързо изключване (например на конвейери и компресори, пускани без натоварване) се препоръчват релета Class 5. Споменатият стандарт фиксира и максималното време на задействане на загрято реле при ток 1,5 пъти над номиналния. Започвайки от Class 10A и без Class 15, то е 2 min, 4 min, 8 min и 12 min. Друг основен параметър на релетата е номиналният ток (Setting Current, Full-Load Ampers, FLA) IS, като при никакви условия те не трябва да се задействат до 1,05IS. Полезно е да се има предвид, че в някои каталози вместо графиките на фиг. 5 се дават таблици.
Релетата с биметални контакти (Thermal Overload Relay) TOR осъществяват термична защита чрез доста проста схема, устройство и действие – токът на електродвигателя протича през малък нагревател с типична мощност няколко W, поставен до биметална пластинка, като я нагрява и огъва. Когато токът достигне определена стойност, огъването вече е достатъчно голямо, за да отвори контакт и прекъсне веригата. Използват се еднополюсни (Single-Pole) и триполюсни (Three-Pole) TOR, като последните са за трифазни електродвигатели и имат идентичен нагревател и пластинка за всяка от фазите. Съществено за действието на TOR e, че огъването на пластинките неизбежно зависи и от околната температура, което определя нейното влияние върху времето на задействане. Възможно е това да доведе до нежелано изключване на електродвигателя при допустим ток. За намаляване на тази опасност съществуват компенсирани TOR (Ambient Compensated Overload Relay) с втора, отдалечена от нагревателя биметална пластинка – при промяна на околната температура двете се огъват еднакво и контактното разстояние остава непроменено заедно с времето на задействане.

При избора на TOR с автоматично рестартиране на електродвигателя трябва да се внимава, тъй като по принцип е възможно да се получи многократно включване и изключване на електродвигателя (при изключване пластинката се охлажда и отново го включва), което да доведе до опасност от повреда. Същевременно, за предпазване на релетата от повреда поради късо съединение във веригата на електродвигателя, обикновено те съдържат допълнителен предпазител. В съответствие със стандарта IEC 60947-4-1 този от тип “1” е за ток 4-7 пъти по-голям от IS и трябва да бъде сменен след възникване на късо съединение, докато тип “2” е за приблизително същия ток, но може да бъде използван многократно. Широко предлаганите релета осигуряват изключване на трифазни електродвигатели при прекъсване на една от фазите и при дисбаланс между тях. В почти всички модели има допълнителни нормално отворени и/или нормално затворени контакти за задействане на вериги за сигнализация и на индикатори, както и (твърде често) за дезактивиране на бобината на контактора.
Допустимите граници на околната температура на TOR обикновено са от -25 до +60 °С. Техният ток IS може да е между 0,1 А и 300 А, като при трифазните релета това е стойността за всяка от фазите. Не са малко моделите TOR с възможност за регулиране на IS в сравнително тесни граници, например от 0,16 А до 0,25 А или между 60 А и 80 А, което се постига чрез механичен регулатор за леко преместване на пластинките, обикновено съпътстван от бутон за тестване на допълнителните контакти. Съществена особеност на TOR е принципната им възможност за управление и на постояннотокови електродвигатели.

При релетата с разтопяема връзка (Melting Alloy TOR) ток с определена стойност размеква механична връзка, при което се задвижва прост механизъм и прекъсва веригата на електродвигателя. Възстановяването й става ръчно.

Магнитна защита срещу претоварване (Magnetic Overload Protection) MOP. Тук токът на електродвигателя протича през нискоомна намотка и когато надхвърли определена стойност, създаденото магнитно поле придвижва достатъчно котва или подвижна сърцевина за задействане на контакт и прекъсване на веригата. Разновидността с моментално действие (Instantaneous Type) се използва основно за електродвигатели, пускани с понижено напрежение, на които се подава цялото напрежение едва след пълно развъртане. В релетата със закъснение (Time-Delay Type) има тръбичка, частично запълнена с масло. При достигане на тока на задействане на защитата, котвата или подвижната сърцевина започва да избутва маслото и едва при достигането му до края на тръбичката (за времето на закъснение) се осъществява изключването.

Термисторна защита срещу претоварване (Thermistor Overload Protection). Тя може да се използва вместо релета с биметални пластинки или като допълнение към тях. Препоръчва се за електродвигатели с мощност до около 15 kW, в които статорната намотка се нагрява повече от роторната и на нея се поставя термистор с положителен температурен коефициент. Ефикасността на защитата се дължи на бързото нарастване на съпротивлението на термистора над определена температура. Предимство е задействането й при превишаване на температурата не само заради голям ток, което я прави подходяща за електродвигатели в малки затворени пространства с повишена температура и такива, работещи при голяма надморска височина.

Защити от късо съединение. На практика те винаги се комбинират с една от предните защити, като съществуват две разновидности. Първата е моменталната защита от късо съединение (Instantaneous Short Circuit Protection) известна и като Function I – при достигане на определен ток (Short-Circuit Breaking Capacity) Ics през електродвигателя веригата му се прекъсва след няколко десетки ms, зависещи от типа на релето. Втората е защитата със закъснение (Short Circuit Protection with Delayed Trip), наричана и Function S – изключването става след фиксирано от релето време, обикновено между няколко стотни и няколко десети от секундата. Типичната зависимост на времето на задействане от тока на електродвигателя (функция L-I) е дадена на фиг. 6, като частта L е на защитата от претоварване, а частта I – на тази от късо съединение.
Термомагнитни защити (Thermomagnetic Trip Unit). Те са една от възможностите за практическа реализация на функцията L-I на фиг. 6, като съдържат биметална пластинка и бобина, през която протича токът на електродвигателя. Както в TOR пластинката осигурява частта L на характеристиката, докато много големият ток при късо съединение създава достатъчно магнитно поле на бобината за задействане на котвата й и отваряне на контакт за прекъсване на веригата на електродвигателя. Типичните стойности на тока на задействане на защитата от късо съединение (в зависимост от модела на блока) са между 100 А и 10 kA, като той обикновено е около 10 пъти по-голям от тока на защитата от претоварване.

Защита от импулсни напрежения. Осигурява се чрез допълнителни модули (Surge Suppressor), свързвани успоредно на контакторите, или чрез вграждане на защитата в тях. Основната причина за използването на защитата е натрупаната магнитна енергия в бобината на задействания контактор (при включен електродвигател), която при отваряне на контакта му създава серия от затихващи импулси, чиято амплитуда може да достигне няколко kV. Те не само смущават работата на околни електронни апаратури, но могат да предизвикат пробив на изолации и повреда на електрически и електронни компоненти. За оценка на опасността от тях се използва коефициентът на свръхнапрежение (Overvoltage Factor), представляващ отношение на най-голямата амплитуда на импулсите и работното напрежение на бобината, чиито стойности могат да надхвърлят 50.

Три са основните начини за осигуряване на защитата на асинхронни електродвигатели – чрез варистор, чрез RC-верига (последователно свързани резистор и кондензатор) и чрез успоредно свързани варистор и RC-верига. Предимство на първия е много доброто поглъщане на енергията на импулсите, а на втория – потискането и на много къси импулси. Основните параметри на модулите са работното напрежение на защитаваните контактори (типично между 24 V и 600 V), ограниченото максимално напрежение на импулсите (Residual Overvoltage, Clipping Voltage) с типични стойности между 100 V и 1 kV и коефициентът на увеличаване на времето на изключване (Opening Time Growth Factor). Типичните стойности на последния са между 1,1 и 3, а наличието му е недостатъкът от използване на защитата.

Електронни релета (Electronic Overload Relay, Solid-State Overload Relay) EOR. Тези сравнително нови апарати не ползват нагревател. Поради това, не само че консумират по-малка мощност, но и токът им на задействане зависи значително по-слабо от околната температура. Поради естеството на своята структура те имат по-сигурно действие и много по-дълъг експлоатационен срок. Значителна част от EOR имат и други приложения, например в осветителни системи. Освен споменатите възможности за изключване на трифазни електродвигатели при дисбаланс между фазите и прекъсване на една от тях, EOR осигуряват изключване и при прекъсване на нулевия проводник без никакво закъснение. За максимално бързо установяване на причината за изключване много EOR имат на лицевия си панел съответните индикатори. Друго предимство е възможността за задаване на номиналния ток в значително по-широки граници, например от 9 А до 18 А и за непрекъснат контрол на температурата на намотките на електродвигателя. Освен всичко това, част от EOR имат ключ за избор на класа (обикновено Class 10, Class 20 и Class 30) със съответната индикация на лицевия панел.

Токът IS на предлаганите на пазара EOR е с практически същите минимални стойности, както при TOR, докато максималната стойност достига 800 А. Нещо повече, чрез токов трансформатор, предлаган като принадлежност към някои модели EOR, токът може да се увеличи над 1 kA. Допустимата околна температура за нормална работа е типично от -25 °С до +70 °С.

Възможностите, предлагани от електрониката в този тип релета, позволяват реализацията на множество полезни за практиката и твърде сложни зависимости на времето на задействане от тока на електродвигателя. Пример за една от реализациите на функция L-S-I е даден на фиг. 7, като сивата част на характеристиката е функцията L с възможност за регулиране на тока на претоварване за започване на действието на защитата (вертикалната линия) и на величината I2t. Двете тъмносини части са на защитата от късо съединение, като частта S I2t OFF показва задействане при даден ток с възможност за регулиране на стойността му (вертикалната линия) след изтичане на също регулируемо време (хоризонталната линия). Частта S I2t ON показва, че след настъпване на късото съединение действието е както при функция L. И накрая, със светлосиня линия е показана втората защита от късо съединение, задействаща се при достигане на определен ток с регулируема стойност (вертикалната линия), която става за фиксирано време, определено от хоризонталната линия. Допълнително предимство на част от електронните релета е, че функциите S и I могат по желание да се изключват.

Съществено допълнително предимство на EOR е принципната им възможност за дистанционно изключване на електродвигателите чрез определено постоянно или променливо напрежение (например 24 V), както и чрез някои индустриални полеви интерфейси. В последния случай обикновено е необходим допълнителен комуникационен модул. В каталозите EOR се означават като self-supplied, тъй като при свързването им към електродвигателя се осигурява и тяхното постояннотоково захранване. Недостатък на EOR е, че при задействането им токът в прекъснатата верига на електродвигателя не е 0. Той представлява параметъра Leakage Current с типични стойности няколко mA. Освен това, максималната стойност на IS започва да намалява над определена околна температура – често в техническата документация това се дава като графика, един пример за каквато е показан на фиг. 8.
Електронните релета могат да управляват в зависимост от модела трифазни електродвигатели с номинални напрежения 208 V, 240 V, 480 V и 600 V, както и еднофазни с напрежение 230 V. Обща особеност е наличието на значителен брой модели с т. нар. Stop-function – възможност за изключване на електродвигателя чрез бутон. Конструктивното им оформление улеснява монтажа и механичното и електрическо свързване към други блокове (например контактори), като за целта производителите предлагат и допълнителни приспособления.

Моторни пускатели
Те представляват съчетание на контактор и защита от претоварване, към които евентуално се прибавят някои допълнителни елементи, например защита от късо съединение и изключване на електродвигателя при отпадане на фаза. Вече разгледаната схема на фиг. 2 реално показва основната структура на стартер за трифазни електродвигатели.

И тук има ръчни пускатели (Manual Motor Starter) за напрежение до около 600 V и мощности до около 80 kW. Много по-разпространени са тези с магнитен контактор, които просто се наричат стартери. Най-простият тип са стартерите за непосредствено свързване (Direct On Line Starter, DOL Starter), които непосредствено подават на електродвигателя цялото мрежово напрежение с всички известни последици от това (например до около 4 пъти по-голям стартов ток от номиналния).
В пускателите “звезда-триъгълник” (Star-Delta Starter, Wye-Delta Starter) при включването електродвигателят се свързва в “звезда”, при което напрежението и токът на всяка от намотките му е Ц3 пъти по-малък в сравнение със свързването “триъгълник” и следователно 3 пъти по-малка мощност и въртящ момент. Едва след достигане на достатъчно високи обороти (след определен интервал от време), електродвигателят се превключва в схема “триъгълник”. По подобен начин работят пускателите с автотрансформатор (Autotransformator Starter), в които електродвигателят се включва най-напред към част от намотката (например 2/3), т. е. към понижено напрежение.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top