Архив / 1998 / №1(14) / 

Защита электродвигателей от аварийных режимов (Продолжение. Начало в № 10-13)

Фазочувствительные устройства защиты электродвигателей

При нормальной работе асинхронных двигателей угол сдвига фаз между токами в трех-фазной сети составляет 120о. При обрыве одной из фаз угол сдвига между токами оставшихся двух фаз станет 180о. На этом эффекте основана разработанная А.О.Грундулисом [1] защита от аварийных режимов. Так как защита реагирует на изменение угла фазового сдвига между токами нагрузки электродвигателей, она была названа фазочувствительной.

Базовая схема фазо-чувствительной защиты ФУЗ состоит из двух фазовращающихся трансформаторов тока и кольцевого фазового детектора с косинусной характеристикой, на выходе которого включено реле (рис. 1).

Рис. 1. Фазочувствительное устройство защиты ФУЗ: а) электрическая схема; б) фазочувствительные характеристики – зависимость тока реле Iр от угла сдвига j; в) защитная характеристика – зависимость тока реле Iр от кратности перегрузки Iр = y(Km)
Рис. 1. Фазочувствительное устройство защиты ФУЗ: а) электрическая схема; б) фазочувствительные характеристики – зависимость тока реле Iр от угла сдвига j; в) защитная характеристика – зависимость тока реле Iр от кратности перегрузки Iр = y(Km)

На рис. 1 кроме электрической схемы ФУЗ приведены фазовые характеристики устройства, показывающие изменение тока реле в функции угла сдвига тока в фазах и в зависимости от величины перегрузки по току. В приведенной электрической схеме защиты реле KV включено между средними выводами вторичных обмоток фазовращающих трансформаторов тока. Последовательно с диодами VD1...VD4 кольцевого детектора включены балластные резисторы R1...R4, сопротивление которых согласовано с сопротивлением катушки реле и параметрами вторичных обмоток фазовращающих трансформаторов тока. Отношение чисел витков первичных обмоток фазовращающих трансформаторов тока в устройстве ФУЗ выбрано таким образом, чтобы исходный угол сдвига фаз между измеряемыми напряжениями составлял 73о. При таком угле и номинальной нагрузке в реле KV будет протекать ток, меньший тока отпускания реле Iро (точка 2 на рис. 1). При заклинивании ротора или при режиме короткого замыкания электродвигателя токи, а следовательно и измеряемые напряжения U1 и U2 резко увеличиваются. Ток в катушке реле KV также резко возрастет, станет больше тока притягива-ния реле Iпр (точка 1 на рис. 1).

При обрыве фазы защита срабатывает достаточно быстро, так как ток в катушке реле Iр становится значительно больше тока Iпр. Точки 3 и 4 на рис. 1б соответствуют работе электродвигателя при обрыве фазы, когда ток нагрузки равен номинальному току, а точки 5 и 6 – режиму короткого замыкания при пуске двигателя на двух фазах. Таким образом фазочувствительное устройство типа ФУЗ защищает электродвигатель от обрыва фазы при пуске и заклинивания ротора двигателя или исполнительного механизма.

На рис. 1в приведены защитные характеристики фазочувствительного устройства защиты. Из характеристик видно, что защита весьма чувствительна к обрыву фазы при пуске двигателя (кривая 1), а при работе электродвигателя с перегрузками ток в катушке реле увеличивается медленно (кривая 2), что позволяет защите срабатывать с выдержкой времени. Из защитных характеристик видно, что в зоне А электродвигатель будет надежно защищен от обрыва фазы, а при работе на трех фазах ток в катушке будет меньше тока отпускания реле Iро. В режиме короткого замыкания кратность перегрузки составляет Кн = 5,0-7,0 (зона В), ток в катушке реле Iр будет больше тока притягивания реле Iпр и реле защиты сработает.

Основной недостаток базовой защиты ФУЗ заключается в том, что она не реагирует на небольшие длительные перегрузки и не имеет инерционности срабатывания, вследствие чего фазочувствительное устройство ложно срабатывает при пуске электродвигателя.

Эти недостатки устранены в модернизированном фазочувствительном устройстве защиты электродвигателей ФУЗ-М. Устройство ФУЗ-М защищает электродвигатель от обрыва фазы и любых перегрузок, а так-же от заклинивания ротора или исполнительного механизма. ФУЗ-М моментально срабатывает при обрыве фазы, а при перегрузках – с выдержкой вре-мени 30...50 с (в зависимости от степени перегрузки); при закли-нивании ротора или исполни-тельного механизма выдержка времени составляет 8...12 с.

На рис. 2 приведено модернизированное фазочувствительное устройство защиты ФУЗ-М.

Устройство состоит из двух фазовращающихся трансформаторов тока 1 (рис. 2), печатной платы с монтажом электронной схемы 2 и реле защиты 3. Настраивать устройство защиты на номинальный ток электродвигателя надо по шкале потенциометра 4.

Рис. 2. Модернизированное фазочувствительное устройство защиты ФУЗ-М
Рис. 2. Модернизированное фазочувствительное устройство защиты ФУЗ-М

Устройство смонтировано на изоляционном основании 5, клеммная колодка закрыта крышкой 6, а все устройство защиты – герметичной крышкой 7.

На рис. 3 дана электрическая схема устройства ФУЗ-М.

Защиту от обрыва фазы и заклинивания ротора схема на рис. 3 осуществляет также, как схема на рис. 1. Схема контроля перегрузки состоит из регулируемого тиристорного выпрямителя (VS1, R5, RP1, RP2), зарядно-разрядной цепи (R6, R7), накопительного конденсатора С1, порогового элемента – тиристора VS 2 со стабилитроном VD5, режимных резисторов R8...R10 и шунтирующего тиристора VS3.

Устройство ФУЗ-М можно установить в любом месте разрыва линии питания электро-двигателя, но предпочтительнее непосредственно у магнитного пускателя.

На рис. 4 приведена схема включения устройства защиты ФУЗ-М.

Рис. 4. Схема включения ФУЗ-М
Рис. 4. Схема включения ФУЗ-М

Установка рабочего режима в ФУЗ-М производится следующим образом. Шкала потенциометра для установки номинального рабочего режима отградуирована в делениях от -0,35 до +0,35. Каждому делению шкалы соответствует определенный номинальный ток электродвигателя. Шкалы для всех типоразмеров (от ФУЗ-М1 до ФУЗ-М5) одинаковы. Выбрав соответст-вующий типоразмер ФУЗ-М по табл. 1, устанавливают номи-нальные токи, соответствующие определенным делениям шкалы.

Устройство ФУЗ-М, надежно защищая электродвигатель от аварийных режимов, связанных с превышением номинального тока электродвигателя, не реагирует на аварийные режимы, связанные с ухудшением охлаждения электродвигателя. Так, например, на ткацких фабриках довольно часто забиваются отверстия в кожухе вентилятора электродвигателя, что нарушает предусмотренное конструкцией охлаждение двигателя.

Чтобы расширить возможности фазочувствительных устройств защиты, была создана универсальная модификация ФУЗ-У, которая, дополни-тельно к функциям ФУЗ-М, контролирует нарушение охлаждения электродвигателя по температуре его корпуса или обмотки.

На рис. 5 приведена электрическая схема фазочувствительного устройства защиты ФУЗ-У.

Для контроля нарушения охлаждения электродвигателя на его корпусе устанавливают позистор RK2, который включают последовательно в цепь управляемого выпрямителя.

При опасном перегреве электродвигателя сопротивление позистора резко возрастает и соответственно увеличивается шунтирующее сопротивление в цепи управляющего электрода тиристора VS1. Тиристор выпрямителя полностью открывается и конденсатор С1 быстро заряжается до напряжения включения однопереходного транзистора VT1.

Импульс тока разряда конденсатора С1 открывает шунтирующий тиристор VS2 и реле защиты срабатывает.

Таким образом устройство ФУЗ-У защищает электродвигатель от обрыва фазы, заклинивания ротора или исполнительного механизма, перегрузок, а также от ухудшения охлаждения, что приводит к недопустимому нагреву обмоток электродвигателя.

Основное достоинство ФУЗ-У по сравнению с обычно применяемой встроенной температурной защитой, например УВТЗ, заключается в том, что ФУЗ-У быстрее реагирует на такие аварийные режимы, как обрыв фазы, заклинивание ротора или исполнительного механизма, не допуская перегрева статорной обмотки и старения изоляции. Кроме того, при использовании ФУЗ-У нет нужды монтировать позисторы в обмотку электродвигателя при его изготовлении, а достаточно установить один позистор в корпусе собранного электродвигателя.

Таблица 1

Номинальные токи, соответствующие делениям шкалы устройства защиты ФУЗ-М1...ФУЗ-М

Тип  устройства

Диапазон
рабочего 
тока

Номинальный ток, А, электродвигателя при делении шкалы переменного резистора RP1

-0,35

-0,3

-0,2

-0,11

+0,1

+0,1

+0,2

+0,3

+0,35

ФУЗ-М1
ФУЗ-M2
ФУЗ-М3
ФУЗ-М4
ФУЗ-М5

1-2 
2-4
4-8
8,16
16-32

0,975
1,95
3,9
7,8
15,6

1,05
2,1
4,2
8,4
16,8

1,2
2,4
4,8
9,6
19,2

1,35
2,7
5,4
10,8
21,6

1,5
3,0
6,0
12
24

1,65
3,3
6,6
13,2
26,4

1,8
3,6
7,2
14,4
28,8

1,95
3,9
7,8
15,6
31,2

2,025
4,05
8,1
16,2
32,4

Для защиты электродвигателя в этом случае было разработано фазочувствительное устройство защиты ФУЗ-И дополнительно контролирующее сопротивление изоляции статорной обмотки двигателя и не допускающее его включение при пониженном сопротивлении изоляции.

При работе асинхронных двигателей во влажной среде аварийным режимом может считаться такой, когда сопротивление изоляции обмотки относительно корпуса снизится ниже допустимой величины.

Рис. 6. Функциональная электрическая схема ФУЗ-И
Рис. 6. Функциональная электрическая схема ФУЗ-И

На рис. 6 приведена электрическая схема защитного устройства ФУЗ-И.

Схема контроля сопротивления изоляции работает следующим образом. При нажатии кнопки пуска S1 напряжение подается на схему контроля сопротивления изоляции и стабилизированный выпрямитель питания реле защиты КV. Если обмотка статора увлажнена и сопротивление изоляции обмотки меньше допустимой, то ток утечки выработает сигнал, поступающий на один из входов логического элемента «ИЛИ», выход которого подключен к управляющему электроду шунтирующего тиристора VS. Последний открывается, и реле KV не включается. Таким образом электродвигатель защищается от пробоя изоляции. Чтобы восстановить сопротивление изоляции до требуемой величины обмотку электродвигателя следует просушить.

Если сопротивление статорной обмотки выше допустимой, то схема контроля сопротивления изоляции сигнал не выдает и электродвигатель включается.

Защита автоматически управляемых электродвигателей

Интенсивное развитие автоматизации производства вызывает необходимость защиты асинхронных двигателей и в случае автоматически управляемых электродвигателей. Однако, большинство реле защиты, которые успешно работают при ручном управлении электроприводами, после отключения электродвигателя возвращаются в исходное положение. Исключением являются тепловые реле без самовозврата, например ТРН и ТРП, встроенная температурная защита АЗП, фазочувствительная защита типа ФУЗ-И, автоматы, а также некоторые другие виды защиты.

При автоматическом управлении электродвигателем контакты реле защиты нельзя включать непосредственно в цепь управления магнитным пускателем, так как при аварии реле защиты, сработав, отключит электродвигатель, но тем самым аварийный режим закончится, и реле защиты, возвратясь в исходное положение, восстановит цепь
управления магнитным пускателем. Магнитный пускатель включится вновь и электродвигатель опять окажется под напряжением. Так как аварийный режим не устранен, то опять сработает защита и т.д. Появится так называемый «звонковый эффект», когда магнитный пускатель непрерывно включается и выключается. В результате не только не будет защищен электродвигатель, но в аварийном режиме окажется вся пускозащитная аппаратура.

Чтобы предотвратить аварийный режим, устройства защиты к автоматически управляемым электродвигателям подключают через промежуточные реле. Для примера рассмотрим две схемы автоматического управления насосными агрегатами (рис. 7).

Рис. 7. Схема автоматического управления электродвигателей насосных агрегатов с использованием промежуточного реле: а) силовая схема; б) схема включения промежуточного реле; в) схема включения промежуточного реле с ручным управлением
Рис. 7. Схема автоматического управления электродвигателей насосных агрегатов с использованием промежуточного реле: а) силовая схема; б) схема включения промежуточного реле; в) схема включения промежуточного реле с ручным управлением

Силовая схема для обоих случаев общая (рис. 7а). На рис. 7б показана схема автоматического управления магнитным пускателем КМ в соответствии с уровнем воды в резервуаре, контролируемым погружными электродами. Промежуточное реле KV2 включено по принципу самоблокировки. Схема работает следующим образом. Если резервуар для воды пуст или уровень воды ниже hmin, то электродвигатель насоса включен, так как катушка магнитного пускателя КМ получает питание через размыкающие контакты KV2.2 и KV3.1. Когда уровень воды в резервуаре достигнет короткого электрода (hmax), включится реле KV3, и его контакты переключаются. Контакт KV3.1 размыкается и отключает магнитный пускатель КМ. Электродвигатель останавливается. Контакт KV3.2 замыкается и соединяет короткий и длинный электроды. В результате реле KV3 выключается и снова включит магнитный пускатель только тогда, когда уровень воды станет ниже минимальной отметки (hmin). Когда у электродвигателя возникнет аварийный режим, например обрыв одной фазы, сработает реле защиты KV1 и своим замыкающим контактом KV1.1 включит промежуточное реле KV2. Контакты промежуточного реле переключаются. Контакт KV2.1 замыкается и вызывает самоблокировку промежуточного реле. Одновременно загорается лампочка HL.1 аварийной сигнализации. Контакт КV2.2 размыкается и снимает питание со схемы автоматического управления. Прекратить самоблокировку промежуточного реле можно только отключив напряжение питания, что и делается при устранении аварийного режима. Если аварийный режим устранен, то после возобновления питания схема автоматического управления будет нормально работать. Однако, если авария не устранена, то реле защиты снова включает промежуточное реле и оно самоблокируется.

На рис. 7в приведена несколько иная схема управления электродвигателем насоса для перекачки канализационных вод. В этой схеме команды управления магнитным пускателем КМ электродвигателя дают погружные электроды через реле KV3, а промежуточное реле KV2 имеет иную схему включения – через кнопки управления. Схема работает следующим образом. Промежуточное реле KV2 включается при нажатии кнопки S2. Контакт KV2.1 шунтирует кнопку пуска, а контакт KV2.2 подает питание на схему автоматического управления. Если уровень воды ниже максимального (hmax), а реле KV3 не включается, следовательно не включается магнитный пускатель КМ. При повышении уровня канализационных вод до короткого электрода включается реле KV3 и его контакты замыкаются. Магнитный пускатель включается, и электродвигатель насоса начинает работать. Контакт KV3.2 соединяет вместе короткий и длинный электроды, чтобы реле KV3 отключалось только тогда, когда канализационные воды опускаются до минимального уровня (hmin).

Если у электродвигателя возникает аварийный режим, срабатывает реле KV1 устройства защиты, контакт KV1.1 разомкнет и выключит промежуточное реле KV2. Контакт KV2.2 размыкаясь, обесточит схему автоматического управления. После устранения аварии схему вновь включают кнопкой S2. Недостаток этой схемы заключается в том, что всегда после кратковременного перерыва в электроснабжении схему необходимо включать вновь кнопкой S2.

Включение промежуточного реле по схеме (рис. 7б) имеет также недостаток. Так, если происходит обрыв фазы А при работающем ненагруженном насосе электродвигателя, то может оказаться, что питающее напряжение, исчезнув с внешней стороны, появится со стороны двигателя (от обмотки фазы А); значение этого напряжения может оказаться достаточным, чтобы удержать магнитный пускатель КМ, но недостаточным, чтобы сработало промежуточное реле KV2. Тогда электродвигатель будет продолжать работать на двух фазах, может «опрокинуться» и сгореть.

Этот недостаток может быть устранен в схеме с промежуточным реле, но с питанием от двух фаз (рис. 8).

Рис. 8. Схема включения промежуточного реле с питанием от двух фаз
Рис. 8. Схема включения промежуточного реле с питанием от двух фаз

В этой схеме при обрыве фазы А срабатывает устройство защиты ФУЗ-М (как на рис. 7а), замыкается контакт KV1.1 (рис. 8), который включает промежуточное реле KV2, получающее питание от фазы В через диод VD2. При обрыве фазы В промежуточное реле получает питание от фазы А через диод VD1, а при обрыве фазы С питание промежуточного реле KV2 будет от двух фаз А и В через диоды VD1 и VD2. Таким образом, при обрыве любой фазы промежуточное реле KV2 надежно включится, заблокируется размыкающим контактом KV2.2 и снимет питание со схемы автоматического управления. Контакт А1.1, управляющий магнитным пускателем КМ, является контактом от блока автоматического управления. Резистор R1 гасит лишнее напряжение, а конденсатор С1 сглаживает пульсации и предотвращает вибрацию контактов реле.

Рассмотренные варианты фазочувствительной защиты асинхронных двигателей от аварийных режимов показывают, что модификации этой защиты позволяют достаточно надежно защищать асинхронные двигатели от всех возможных аварийных режимов. Однако, фазочувствительные устройства защиты имеют один существенный недостаток – относительно высокую стоимость.

Устройство защитного отключения трехфазного асинхронного электродвигателя типа УЗОТЭ-2У фирмы «Овен» [2]

Устройство защитного отключения трехфазного асинхронного электродвигателя предназначено для защиты асинхронных двигателей при следующих аварийных режимах:

– обрыв или несимметрия фаз питающей сети;
– перегрузка электродвигателя;
– перегрев обмотки статора.

При снижении сопротивления изоляции обмотки ниже допустимой величины устройство блокирует пуск электродвигателя.

Устройство применяется в схемах управления электродвигателями, включаемыми магнитными пускателями или контакторами (от нулевой до пятой величины) с катушками на напряжение 220 или 380 В и на частоту 50 Гц.

На рис. 9 дан общий вид устройства защиты УЗОТЭ-2У.

Рис. 9. Устройство УЗОТЭ-2У
Рис. 9. Устройство УЗОТЭ-2У

Устройство имеет следующие технические характеристики:
Напряжение питания устройства – 190-240 В
Потребляемая мощность – 5 Вт
Диапазон мощностей защищаемых электродвигателей – 1,6-250 кВт
Допускаемая токовая нагрузка на контакты встроенного в устройстве реле при напряжении 380(220) В – 1,5(2,5) А
Максимальная длина линии:
между устройством и датчиком температуры (при сопротивления линии не более 5 Ом) – 300 м
между устройством и трансформатором тока – 15 м
Температура защитного отключения двигателя – 80-90оС
Время срабатывания устройства:
при обрыве фазы – 4-12 с
при перегрузке по токуn в 1,5 раза – 30-60 с
при перегрузке по току в 4 раза – 8-24 с
Масса устройства – 0,7 кг
Габаритные размеры& – 130х105х60 мм
Степень защиты – IP44

Конструкция устройства следующая. Оно выполнено в пластмассовом корпусе, состоящем из основания, панели и крышки с резиновым уплотнителем. Все элементы установлены на одной плате, которая крепится к панели. На панели закреплен переменный резистор УСТ, служащий для установки номинального тока нагрузки электродвигателя, а также четыре светодиодных индикатора, сигнализирующих о причине аварийной ситуации.  Установка номинального тока нагрузки осуществляется в двух диапазонах. Переключение поддиапазонов осуществляется путем установки перемычки на клеммнике. Весь блок в сборе крепится к основанию. Подключение внешних цепей производится через три резиновые втулки к клеммнику, укрепленному на плате.

Устройство имеет четыре канала, воздействующих на электромагнитное реле с нормально замкнутыми электрическими контактами, которое отключает магнитный пускатель.

В основу работы канала температурной защиты положен метод измерения сопротивления терморезистора (датчика температуры). Сигнал с измерительного моста поступает на компаратор напряжения с цепями обратной связи, обеспечивающими защиту от импульсных помех и наводок на соединительные цепи. Далее на выходе компаратора формируется сигнал, управляющий включением исполнительного реле и индикатора «Перегрев».

Канал защиты от перекоса фаз питающей сети состоит из трех трансформаторов тока и диодно-резисторной схемы, дающей постоянное напряжение, пропорциональное асимметрии токов трехфазной сети. Далее сигнал поступает на компаратор напряжения, преобразующий этот аналоговый сигнал в цифровой, который, в свою очередь, управляет включением исполнительного реле и индикатором «перенос фаз». Цепь положительной обратной связи, введенная в компаратор, обеспечивает триггерный режим работы канала фазовой защиты.

Канал токовой защиты преобразует сигнал одного из трансформаторов тока в сигнал пилообразной формы, амплитуда которого пропорциональна току, потребляемому электродвигателем. Компаратор напряжения обеспечивает получение импульс-ного сигнала, скважность которого обратно пропорциональна степени перегрузки. С выхода компаратора этот импульсный сигнал поступает через интегрирующую РС-цепь, обеспечивающую необходимую задержку для управления включением исполнительного реле и индикатора «Перегрузка». Кроме того, дополнительная схема обеспечивает мгновенную индикацию перегрузки, что позволяет оперативно устанавливать порог срабатывания схемы токовой защиты. В схему компаратора напряжения также введена диодная цепь положительной обратной связи, которая обеспечивает триггерный режим работы канала токовой защиты.

Сброс триггерной защиты каналов перегрузки и фазовой защи-ты осуществляется путем снятия питающего напряжения с устройства на время не менее 15 секунд.

Канал защиты, обеспечивающий блокировку пуска электродвигателя при снижении сопротивления изоляции обмотки статора электродвигателя и кабеля, соединяющего магнитный пускатель с электродвигателем, ниже допустимого значения, функционирует следующим образом. При отключенном электродвигателе часть выпрямительного фазового напряжения поступает через резистор на одну из обмоток статора электродвигателя. Таким образом получается делитель напряжения, одним из элементов которого является сопротивление изоляции обмотки статора. С делителя сигнал поступает на вход компаратора напряжения, который преобразует его в цифровую форму. Введенные в компаратор емкостные цепи обеспечивают защиту от импульсных помех и наводок на соединительные провода. Сигнал с выхода компаратора управляет работой исполнительного реле и индикатора «Утечка».

При включенном электродвигателе переменное напряжение, поступающее с обмотки, выпрямляется и блокирует компаратор напряжения. В этом случае канал защиты не влияет на работу электродвигателя.

Питание устройства осуществляется от сети переменного тока через балластный конденсатор, выпрямитель, емкостной сглаживающий фильтр и параметрический стабилизатор напряжения.

Эксплуатация защитного устройства типа УЗОТЭ-2У, разработанного и выпускаемого фирмой «Овен», показало его бес-спорное преимущество перед остальными подобными устройствами по надежности работы и защиты электродвигателей, а также по относительно низкой стоимости.

(Продолжение следует).

Литература

1. Грундулис А.О. Защита электродвигателей в сельском хозяйстве. - М.: Колос, 1982. - 105 с.

2. Фирма «Овен». Устройство защитного отключения трехфазного электродвигателя УЗОТЭ-2У. Паспорт и инструкция по эксплуатации. МКЕЦ: 01-16.30.00.00ПС, 1996.

Оскар Гольдберг
академик АЭН РФ, доктор технических наук, профессор