Архив / 1997 / №3(13) / 

Защита электродвигателей от аварийных режимов (Продолжение. Начало в № 10-12)

Устройства температурной защиты

Температурная защита предполагает наличие датчиков температуры в защищаемых элементах конструкции электродвигателя и блока управления, расположенного вне электродвигателя и соединенного кабелем с датчиками. Возможно крепление блока управления на корпусе электродвигателя. Однако, в этом случае требуется кабель для подключения контакта исполнительного органа блока управления в цепь катушки магнитного пускателя.

Технические решения по использованию термисторов в качестве датчиков температуры в устройствах защиты электродвигателей предлагались до появления терморезисторов с положительным ТКС – позисторов, которые в настоящее время находят распространение. Позисторы могут встраиваться в обмотку электродвигателя (в каждую фазу) или в подшипниковые узлы и корпус. При последовательном соединении позисторов в цепочку устройство защиты может срабатывать от каждого из них в отдельности или от всех одновременно. При этом, в соответствии с нормами МЭК, срабатывание устройства должно происходить при сопротивлении цепи позисторов 1.650-4.000 Ом. Возврат в исходное состояние после срабатывания защиты должен осуществляться при сопротивлении от 1.650 до 750 Ом.

Наиболее просто схема устройства температурной защиты реализуется при прямом включении позисторов в цепь катушки исполнительного реле. Однако, малая мощность рассеяния и стремление к повышению стабильности срабатывания защиты ведет к использованию схем с усилителем сигнала позисторов и организации четкого порога срабатывания.

На рис. 1 дана схема устройства температурной защиты типа УВТЗ-1 со стабилизированным питанием и преобразователем, выполненным в виде моста с позисторами в одном из плеч, диагональю которого является транзисторный токовый ключ, обеспечивающий высокую стабильность работы схемы при изменении температуры окружающей среды. Для управления исполнительным реле постоянного тока применен тиристор, одновременно обеспечивающий самоконтроль работы схемы при коротком замыкании цепи позисторов. Питание устройства осуществляется от сети с гашением лишнего напряжения на резисторе и емкости.

В устройстве УВТЗ-1М (рис. 2), использующем последовательное соединение ключа и дифференциального усилителя, предусмотрены самоконтроль исправности цепи позисторов, интегрирующей гасящий фильтр из двух резисторов и конденсатора, исключающий ложные срабатывания при импульсных и скачкообразных помехах в сети питания, и снижение потребляемой мощности за счет включения исполнительного реле только при срабатывании защиты.

Снижение потребляемой мощности устройства защиты можно получить также путем периодического подключения цепи включения магнитного пускателя устройства при одновременном обеспечении питания реагирующего органа, выполненного на основе триггерного усилителя постоянного тока, стабилизированным напряжением.

Известно применение операционного усилителя для управления тиристором в цепи обмотки исполнительного реле. Для получения релейной передаточной характеристики усилителя цепь обратной связи его выполняется положительной и включает в себя последовательно соединенные резистор и диод. Стабилизация характеристик обеспечивается введением транзистора в цепь делителей напряжения. Схема имеет ручной возврат, выполняемый кратковременным размыканием сетевого выключателя после срабатывания защиты.

Управление тиристором в цепи исполнительного элемента может осуществляться без предварительного усиления сигнала. При этом схема собирается только из резистора, диодов и конденсаторов.

Возможно также формирование порога срабатывания за счет изменения фазы между напряжениями на емкостных и резисторных элементах или применение фильтра напряжения обратной последовательности.

Порог срабатывания устройства защиты можно формировать путем использования геркона с двумя обмотками при встречном направлении их магнитных потоков. В этом случае в цепи первой обмотки располагают исполнительный элемент и ограничивающий резистор, в цепи второй обмотки – позисторы. При срабатывании защиты геркон замыкает контакт и шунтирует ограничивающий резистор, обеспечивая более надежное ее срабатывание.

Использование магнитоуправляемого контакта (герконового реле) в качестве выходного в исполнительном органе (по сравнению с обычным электромагнитным реле) позволяет значительно повысить показатели надежности в устройстве защиты. Герконовые реле применены в схеме (рис. 3), реализованной в устройстве защиты УВТЗ-5. При этом маломощный тиристор исполнительного органа, подключенный параллельно блоку питания, исключает дребезжание контакта выходного реле, так как процесс его открытия при появлении сигнала управления происходит лавинообразно за 8-15 сек. Схема имеет ручной возврат путем кратковременного выключения питания после срабатывания защиты и самоконтроль при коротком замыкании в цепи позисторов.

Устройство УВТЗ-5 моментально реагирует на обрыв фазы, не допуская опасной работы электродвигателя на двух фазах или его перегрева при запускании на двух фазах. Защита УВТЗ-5 особенно эффективна, если искусственная звезда подключена непосредственно к клеммам электродвигателя.

Перспективным является применение бесконтактного исполнительного органа, включаемого непосредственно в цепь катушки магнитного пускателя. При этом следует иметь в виду, что подключение ключа параллельно кнопке «пуск» магнитного пускателя снижает эффективность защиты электродвигателя, поскольку устройство не срабатывает при нажатой кнопке.

Для питания устройств защиты требуется, как правило, пониженное напряжение, которое получают либо гашением части основного напряжения сети на сопротивление или емкости, либо от специального трансформатора. Блоки питания с трансформатором создают гальваническую развязку цепей управления и защиты электродвигателя, обеспечивая безопасность и увеличивая надежность защиты. При этом трансформатор иногда удобно выполнять на одном сердечнике с катушкой магнитного пускателя.
По условиям работы электропривода бывает необходимо уменьшить температуру обмотки двигателя при возврате устройства защиты в исходное состояние после срабатывания (например, для последующего пуска с большими моментами сопротивления и инерции). При этом задержку возврата можно получить за счет гистерезиса электронного ключа (например, триггера Шмитта), с помощью реле времени, применением дополнительной цепи позисторов в обмотке электродвигателя со своим ключевым элементом, подключенным к общему исполнительному органу.

Иногда наоборот, должна осуществляться задержка срабатывания защиты для безусловного выполнения необходимой технологической операции. Например, в электроприводе лифтов защита не должна срабатывать в момент нахождения кабины между этажами. Поэтому в указанном режиме работы электропривода применяется временная задержка срабатывания защиты до подхода кабины к двери этажа.

Во многих случаях целесообразным является применение предварительной сигнализации об опасном нагреве электродвигателя перед автоматическим отключением его защитой. Для этой цели обычно используют отдельную дополнительную цепь позисторов с меньшей классификационной температурой по сравнению с основной цепью, действующей на отключение. Схемным решением можно также осуществить предварительную сигнализацию без дополнительных позисторов. При этом тиристор элемента сигнализации открывается при меньшем сопротивлении, чем закрывается тиристор исполнительного элемента. Однако продолжительности действия сигнализации может быть недостаточно для принятия мер по предотвращению срабатывания защиты, так как позисторы имеют релейную характеристику при быстром изменении сопротивления в малом диапазоне температур.

С целью снижения стоимости эксплуатации один блок управления используется для защиты нескольких электродвигателей одновременно, путем последовательного соединения цепей терморезисторов. Однако общее сопротивление цепей терморезисторов в заданном диапазоне температуры окружающей среды не должно превышать 750 Ом. Такое ограничение требует отбора терморезисторов с малым значением сопротивления. Поэтому разрабатываются различные варианты специальных устройств для групповой защиты. На рис. 4 приведена схема подобного устройства, содержащего многоплечный диодный двухполупериодный мост с числом плеч на одно больше числа защищаемых электродвигателей. При перегрузке одного из электродвигателей резко увеличивается сопротивление его цепи позисторов и на выходе диодного моста появится напряжение вследствие изменения потенциала общей точки, соответствующей цепи позисторов и резистора. При этом отключается вся группа электродвигателей, что не всегда удобно. Поэтому в некоторых устройствах предусматриваются независимые выходы.

Возможности применения температурной защиты ограничиваются значением скорости нарастания температуры электродвигателя из-за тепловой инерции позисторов. Поэтому исследуются различные варианты повышения быстродействия защиты при больших скоростях нарастания температуры. Одним из них является комбинированное соединение терморезисторов с различными характеристиками. Так, например, последовательно с основными позисторами можно подключить параллельную цепочку из термистора и дополнительного позистора с более низкой классификационной температурой, чем у основных. Постоянную времени термистора выбирают существенно больше, чем постоянная времени позисторов. Тогда при быстром нарастании температуры защита срабатывает от дополнительного позистора, а при медленном нарастании – от основных позисторов, поскольку суммарное сопротивление параллельной цепочки мало (большое сопротивление дополнительного позистора шунтируется малым сопротивлением термистора).

Другим путем повышения быстродействия защиты является дополнительный контроль скорости нарастания температуры. Для этого, например, в устройстве импульсной защиты дополнительно вводятся счетчик, третий одновибратор, второй элемент сравнения (Р-триггер) и элемент «ИЛИ». Порог срабатывания защиты по скорости нарастания температуры регулируется с помощью задающего регистра третьего одновибратора.

Третьим путем повышения быстродействия температурной защиты является подогрев позисторов непосредственно током, пропорциональным току электродвигателя, или с помощью специальных нагревателей, в которые встроены позисторы. Применение последних позволяет решать задачу температурной защиты высоковольтных двигателей.

Предлагается также исполь-зовать две группы позисторов с нагревателями, одна из которых следует за температурой работающего электродвигателя, вторая – в режиме пуска или при заторможенном роторе. Для переключения групп позисторов применяется токовое реле и реле времени.

В настоящее время позисторы применяют в качестве датчиков встроенной температурной защиты в асинхронных двигателях сельскохозяйственного исполнения, а также по заявкам заказчика в любых других исполнениях асинхронных двигателей.  Позисторы укрепляют в лобовых частях обмотки статора таким образом, чтобы они, с одной стороны, плотно прилегали к проводникам обмотки статора, а с другой – не нарушали изоляцию обмотки в лобовых частях. Для этого разработана специальная технология установки (с последующей пропиткой) позисторов в обмотке статора электродвигателей. Недостатками встроенной тепловой защиты электродвигателей с помощью позисторов являются: во-первых, сложность повторной установки этой защиты после ремонта электродвигателей, а во-вторых, необходимостью подведения проводов от позисторов к блоку устройства встроенной тепловой защиты. Эти недостатки ограничивают применение описанной защиты.

(Продолжение следует).

Оскар Гольдберг
академик АЭН РФ, доктор технических наук, профессор