Электрическая схема защиты двигателей от токов перегрузки

ЗАЩИТА ОБОРУДОВАНИЯ ОТ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ И ПЕРЕГРУЗОК

В процессе эксплуатации любой электрической установки в ней могут возникнуть короткие замыкания, недопустимые перегрузки или может резко снизиться напряжение. Последствиями этих режимов могут быть серьезные повреждения оборудования электровозов; чтобы предотвратить их, применяют различные защиты.
С двумя аппаратами защиты от коротких замыканий и перегрузок мы уже познакомились — это быстродействующий выключатель на электровозах постоянного тока и главный выключатель на электровозах переменного тока.
Быстродействующий и главный выключатели не могут защищать силовую цепь во всех ненормальных режимах. Поэтому для контроля за действиями электротехнических устройств, работой сигнализации о нарушении нормального режима их работы, автоматическим отключением цепей или всей установки применяют специальные защиты. Основным аппаратом в них являются реле.
По принципу действия реле могут быть электромагнитными, тепловыми, электродинамическими и др. Благодаря простоте устройства, возможности применения как при постоянном, так и при переменном токе наибольшее распространение в электрических системах, в том числе и на электровозах, получили электромагнитные реле.

Рис. 96 Схема включения электромагнитного реле

Принцип действия такого реле, защищающего, например, электрический двигатель М (рис. 96) от перегрузки, заключается в следующем. В случае возрастания тока в двигателе сверх максимального допустимого якорь реле, по катушке которого проходит ток защищаемой цепи, притягивается к сердечнику, преодолевая усилие пружины. При этом контакты а и б, замыкаясь, включают сигнальную лампу; загораясь, она сигнализирует машинисту о перегрузке тяговых двигателей. Контакты в и г вызывают отключение главного или быстродействующего выключателя, разрывая цепи удерживающих катушек.
Ток, при котором срабатывает реле, называют током уставки. Его регулируют, изменяя натяжение пружины. Электромагнитное реле при соответствующей уставке может быть использовано как реле максимального напряжения или как реле пониженного тока либо напряжения. В первом случае при повышении напряжения сверх допустимого якорь притягивается и контакты реле, допустим, замыкаются, во втором — якорь отпадает и контакты, наоборот, размыкаются.
На электровозах ВЛ11, ВЛ10, ВЛ8 контакты реле перегрузки не введены в цепь удерживающей катушки быстродействующего выключателя. При замыкании они включают сигнальную лампу, загорание которой свидетельствует о перегрузке какой-либо цепи тяговых двигателей. Если перегрузка произошла в режиме ослабленного возбуждения, то под действием реле выключаются контакторы ослабления возбуждения. Число реле перегрузки соответствует числу цепей параллельно включенных двигателей. Если короткое замыкание на электровозах постоянного тока произойдет в цепи за тяговыми двигателями, соединенными последовательно, то быстродействующий выключатель может не сработать, так как э. д. с. исправных двигателей, включенных в начале цепи, возрастет вследствие увеличения тока. Ток короткого замыкания будет невелик. Учитывая это, на электровозах ВЛ11, ВЛ10, ВЛ8, ВЛ23 применяют чувствительную дифференциальную защиту, выполненную на специальном реле.
Рассмотрим принцип действия этого реле. Через окно магнитопровода дифференциального реле РДф проходят кабели начала и конца защищаемого участка силовой цепи двигателей, ток которых направлен встречно (рис. 97).

Рис. 97. Схема дифференциальной защиты электровозов постоянного тока

На одном конце магнитопровода установлена включающая катушка, питающаяся от источника электроэнергии напряжением 50 В. Под действием ее магнитного потока притягивается якорь, в результате чего замыкаются контакты, включенные в цепь удерживающей катушки быстродействующего выключателя. При нормальном режиме магнитные потоки, возникающие вокруг кабелей ввода и вывода, взаимно уничтожаются. На рис. 97 условно сечение кабелей, проходящих через окно магнитопровода, показано окружностями; на остальных участках цепи кабели изображены в виде соединительных линий электрической связи. Направление тока в кабелях из плоскости чертежа к нам, как принято в электротехнике, показано точкой, а от нас в плоскость чертежа — крестиком.
В случае короткого замыкания на землю, например в точке К, ток, проходящий по кабелю ввода, а следовательно, и создаваемый им магнитный поток резко возрастут. В кабеле вывода, наоборот, ток и магнитный поток уменьшатся до нуля. Магнитный поток кабеля ввода направлен встречно по отношению к потоку включающей катушки.
Вследствие этого якорь реле под действием пружины оторвется от магнитопровода и разорвет цепь удерживающей катушки БВ.
Ток короткого замыкания прерывается быстродействующим выключателем не сразу и после срабатывания дифференциального реле некоторое время продолжает увеличиваться. Поэтому магнитный поток, создаваемый током кабеля ввода, может вновь притянуть якорь реле. Чтобы не допустить этого, в средней части магнитопровода реле установлен магнитный шунт. Воздушные зазоры этого шунта меньше, чем зазор между отключенными якорем и торцом магнитопровода. Поэтому после отключения реле магнитный поток, создаваемый током кабеля ввода, будет замыкаться через магнитный шунт.
Дифференциальное реле не может защитить тяговые двигатели от перегрузки, так как неравенства, или, как говорят, небаланса токов, в кабелях при этом не будет. Небаланс токов возможен только при коротком замыкании на землю.
На электровозах переменного тока дифференциальная защита тяговых двигателей не нужна, так как они соединены всегда параллельно и в их цепь включено реле перегрузки. Она используется для защиты от коротких замыканий выпрямительных установок. В этом случае катушку блока дифференциальных реле (БРД) вместе с дросселем включают между двумя точками цепи вторичных обмоток тягового трансформатора, имеющими равные потенциалы. Не останавливаясь подробно на действии защиты, отметим, что она реагирует на скорость нарастания тока короткого замыкания в выпрямительной установке. При быстром нарастании тока дроссель в цепи, где он установлен, задержит нарастание тока. Поэтому основная часть тока будет проходить по цепи катушек реле. Следовательно, магнитный поток удерживающей катушки будет значительно отличаться от магнитного потока, вызванного током короткого замыкания. Реле сработает и его контакты разорвут цепь удерживающей катушки главного выключателя.
На электровозах переменного тока необходимо защищать силовые цепи от замыканий на землю, точнее, на корпус (кузов) электровоза. Это объясняется тем, что вторичная обмотка трансформатора, выпрямители и тяговые двигатели не соединены с землей, как на электровозе постоянного тока, где замыкание на землю вызывает срабатывание быстродействующего выключателя или дифференциальной защиты. Нарушение изоляции в одной точке силовой цепи не приведет к повреждению, но замыкание в двух точках уже создает аварийный режим. Поэтому нужно контролировать состояние изоляции силовой цепи.
Это осуществляют с помощью реле заземления РЗ — так называемой земляной защиты. Обмотка реле РЗ (рис. 98) соединена с корпусом локомотива и включена в цепь выпрямленного напряжения селенового выпрямителя СВ.

Рис. 98. Схема защиты силовой цепи от замыканий на землю

Выпрямитель питается от вторичной обмотки напряжением 380 В тягового трансформатора. Чтобы можно было использовать одно и то же реле для двух групп тяговых двигателей, его подключают через два одинаковых резистора R к точкам силовой цепи, имеющим равные потенциалы. В случае короткого замыкания, допустим, в точке а образуется цепь выпрямленного тока, реле срабатывает и отключает главный выключатель.
Цепи вспомогательных машин защищают с помощью реле перегрузки, которые вызывают отключение главного или быстродействующего выключателя, а также плавкими предохранителями и дифференциальной защитой. Асинхронные двигатели вспомогательных машин электровозов переменного тока имеют тепловую защиту РТ от перегрузки. В тепловом реле (рис. 99) использованы биметаллические пластины, на которых установлены размыкающие блокконтакты.

Рис.99. Схема тепловой защиты

Металлы, из которых изготовлены пластины, имеют разные коэффициенты линейного расширения. В случае длительной перегрузки или короткого замыкания элементы нагреваются и изгибаются. После того как прогиб пластин достигнет определенного значения, блокконтакты разорвут цепь включающей катушки и контактор отключится. Когда установится нормальная температура, элементы займут исходное положение. Реле тепловой защиты включают в каждые два провода, подводимые к двигателю.
Особенности нарушений режимов электрического торможения зависят от системы торможения — реостатного или рекуперативного, схемы соединения и системы возбуждения двигателей.
В режиме реостатного торможения при последовательном возбуждении двигателей перегрузка может возникнуть, как и в тяговом режиме, в случае чрезмерно быстрого выключения ступеней реостата. Чтобы предотвратить такую перегрузку, обычно используют те же реле, что и в тяговом режиме.
При защите от токов короткого замыкания в режиме реостатного торможения, как и в режиме тяги, могут быть использованы дифференциальные реле и реле заземления.
Защита от коротких замыканий в режиме рекуперативного торможения на электровозах ВЛ8, ВЛ10 и ВЛ11 осуществляется быстродействующими электромагнитными контакторами КБ, имеющими дугогасительные камеры. При их выключении меняется направление тока в обмотках возбуждения тяговых двигателей и происходит интенсивное гашение магнитного потока. Способ включения быстродействующих контакторов в схеме циклической стабилизации при возбудителе с противовозбуждением, создаваемым обмотками ОВГ в цепи якорей тяговых двигателей, пояснен на рис. 100.

Рис. 100. Схема защиты тяговых электродвигателей
от токов короткого замыкания в рекуперативном режиме

Отключающие катушки быстродействующих контакторов КБ1 и КБ2 через ограничивающие резисторы Ro включены параллельно катушкам индуктивных шунтов ИШ. Увеличение тока короткого замыкания в цепи тяговых двигателей вызывает резкое повышение напряжения на индуктивных шунтах. По отключающей катушке проходит ток, превышающий ток уставки контактора, в результате чего его силовые контакты размыкаются. Контакторы не размыкают цепь полностью, а вводят в нее резисторы R3, сопротивление которых выбирают таким, при котором не возникают опасные перенапряжения. После размыкания контактов контакторов КБ большая часть тока тяговых двигателей проходит через их обмотки возбуждения встречно по отношению к току возбуждения, вызывая быстрое размагничивание двигателей.
Для защиты от короткого замыкания на электровозах переменного тока с рекуперативным торможением устанавливают быстродействующие выключатели в цепи выпрямленного тока. На электровозах ВЛ80р в цепь каждого двигателя введены индивидуальные быстродействующие выключатели.

Виды электрической защиты асинхронных электродвигателей

Защита асинхронных электродвигателей

Асинхронные двигатели трехфазного переменного тока напряжением до 500 в при мощностях от 0,05 до 350 — 400 кВт являются наиболее распространенным видом электродвигателей.

Надежная и бесперебойная работа электродвигателей обеспечивается в первую очередь надлежащим выбором их по номинальной мощности, режиму работы и форме исполнения. Не меньшее значение имеет также соблюдение необходимых требований и правил при составлении электрической схемы, выборе пускорегулирующей аппаратуры, проводов и кабелей, монтаже и эксплуатации электропривода.

Аварийные режимы работы электродвигателей

Даже для правильно спроектированных и эксплуатируемых электроприводов при их работе всегда остается вероятность появления режимов, аварийных или ненормальных для двигателя и другого электрооборудования.

К аварийным режимам относятся :

1) многофазные (трех- и двухфазные) и однофазные короткие замыкания в обмотках электродвигателя; многофазные короткие замыкания в выводной коробке электродвигателя и во внешней силовой цепи (в проводах и кабелях, на контактах коммутационных аппаратов, в ящиках сопротивлений); короткие замыкания фазы на корпус или нулевой провод внутри двигателя или во внешней цепи — в сетях с заземленной нейтралью; короткие замыкания в цепи управления; короткие замыкания между витками обмотки двигателя (витковые замыкания).

Короткие замыкания являются наиболее опасными аварийными режимами в электроустановках. В большинстве случаев они возникают из-за пробоя или перекрытия изоляции. Токи короткого замыкания иногда достигают величин, в десятки и сотни раз превосходящих значения токов нормального режима, а их тепловое воздействие и динамические усилия, которым подвергаются токоведущие части, могут привести к повреждению всей электроустановки;

2) тепловые перегрузки электродвигателя из-за прохождения по его обмоткам повышенных токов: при перегрузках рабочего механизма по технологическим причинам, особо тяжелых условиях пуска двигателя под нагрузкой или его застопоривании, длительном понижении напряжения сети, выпадении одной из фаз внешней силовой цепи или обрыве провода в обмотке двигателя, механических повреждениях в двигателе или рабочем механизме, а также тепловые перегрузки при ухудшении условий охлаждения двигателя.

Тепловые перегрузки вызывают в первую очередь ускоренное старение и разрушение изоляции двигателя, что приводит к коротким замыканиям, т. е. к серьезной аварии и преждевременному выходу двигателя из строя.

Виды защиты асинхронных электродвигателей

Для того чтобы защитить электродвигатель от повреждений при нарушении нормальных условий работы, а также своевременно отключить неисправный двигатель от сети, предотвратив или ограничив тем самым развитие аварии, предусматриваются средства защиты.

Главным и наиболее действенным средством является электрическая защита двигателей, выполняемая в соответствии с «Правилами устройства электроустановок» (ПУЭ).

В зависимости от характера возможных повреждений и ненормальных режимов работы различают несколько основных наиболее распространенных видов электрической защиты асинхронных двигателей .

Защита асинхронных электродвигателей от коротких замыканий

Защита от коротких замыканий отключает двигатель при появлении в его силовой (главной) цепи или в цепи управления токов короткого замыкания.

Аппараты, осуществляющие защиту от коротких замыканий (плавкие предохранители, электромагнитные реле, автоматические выключатели с электромагнитным расцепителем), действуют практически мгновенно, т. е. без выдержки времени.

Защита асинхронных электродвигателей от перегрузки

Защита от перегрузки предохраняет двигатель от недопустимого перегрева, в частности и при сравнительно небольших по величине, но продолжительных тепловых перегрузках. Защита от перегрузки должна применяться только для электродвигателей тех рабочих механизмов, у которых возможны ненормальные увеличения нагрузки при нарушениях рабочего процесса.

Аппараты защиты от перегрузки (температурные и тепловые реле, электромагнитные реле, автоматические выключатели с тепловым расцепителем или с часовым механизмом) при возникновении перегрузки отключают двигатель с определенной выдержкой времени, тем большей, чем меньше перегрузка, а в ряде случаев, при значительных перегрузках, — и мгновенно.

Защита асинхронных электродвигателей от понижения или исчезновения напряжения

Защита от понижения или исчезновения напряжения (нулевая защита) выполняется с помощью одного или нескольких электромагнитных аппаратов, действует на отключение двигателя при перерыве питания или снижении напряжения сети ниже установленного значения и предохраняет двигатель от самопроизвольного включения после ликвидации перерыва питания или восстановления нормального напряжения сети.

Специальная защита асинхронных электродвигателей от работы на двух фазах предохраняет двигатель от перегрева, а также от «опрокидывания», т. е. остановки под током вследствие снижения момента, развиваемого двигателем, при обрыве в одной из фаз главной цепи. Защита действует на отключение двигателя.

В качестве аппаратов защиты применяются как тепловые, так и электромагнитные реле. В последнем случае защита может не иметь выдержки времени.

Другие виды электрической защиты асинхронных электродвигателей

Существуют и некоторые другие, реже встречающиеся виды защиты (от повышения напряжения, однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью, увеличения скорости вращения привода и т. п.).

Электрические аппараты, применяемые для защиты электродвигателей

Аппараты электрической защиты могут осуществлять один или сразу несколько видов защит. Так, некоторые автоматические выключатели обеспечивают защиту от коротких замыканий и от перегрузки. Одни из аппаратов защиты, например плавкие предохранители, являются аппаратами однократного действия и требуют замены или перезарядки после каждого срабатывания, другие, такие как электромагнитные и тепловые реле, — аппараты многократного действия. Последние различаются по способу возврата в состояние готовности на аппараты с самовозвратом и с ручным возвратом.

Выбор вида электрической защиты асинхронных электродвигателей

Выбор того или иного вида защиты или нескольких одновременно производится в каждом конкретном слу­чае с учетом степени ответственности привода, его мощности, условий работы и порядка обслуживания (наличия или отсутствия постоянного обслуживающего персонала).

Большую пользу может принести анализ данных по аварийности электрооборудования в цехе, на строительной площадке, в мастерской и т. п., выявление наиболее часто повторяющихся нарушений нормальной работы двигателей и технологического обору­дования. Всегда следует стремиться к тому, чтобы защита была по возможности простой и надежной в эксплуатации.

Для каждого двигателя независимо от его мощности и напряжения должна быть предусмотрена защита от коротких замыканий. Здесь нужно иметь в виду следующие обстоятельства. С одной стороны, защиту нужно отстроить от пусковых и тормозных токов двигателя, которые могут в 5—10 раз превышать его номинальный ток. С другой стороны, в ряде случаев коротких замыканий, например при витковых замыканиях, замыканиях между фазами вблизи от нулевой точки статорной обмотки, замыканиях на корпус внутри двигателя и т. п., защита должна срабатывать при токах, меньших пускового тока.

Одновременное выполнение этих противоречивых требований с помощью простых и дешевых средств защиты представляет большие трудности. Поэтому система защиты низковольтных асинхронных двигателей строится при сознательном допущении, что при некоторых отмеченных выше повреждениях в двигателе последний отключается защитой не сразу, а лишь в процессе развития этих повреждений, после того как значительно возрастет ток, потребляемый двигателем из сети.

Одно из важнейших требований к устройствам защиты двигателей — четкое действие ее при аварийных и ненормальных режимах работы двигателей и вместе с тем недопустимость ложных срабатываний. Поэтому аппараты защиты должны быть правильно выбраны и тщательно отрегулированы.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

2.5. УЗЛЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ ДВИГАТЕЛЕЙ И СХЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Для предотвращения выхода из строя электрооборудования и повышения надежности работы электроприводов применяют целый ряд узлов электрической защиты, в том числе: защиту при коротком замыкании (к.з.) в силовых цепях и схемах управления, защиту при недопустимо больших толчках тока двигателей, защиту двигателей от перегрева, от самозапуска, защиту при обрыве цепи обмотки возбуждения, защиту от перенапряжений, от затянувшегося пуска синхрон­ных двигателей, от выпадения их из синхронизма, а также защитные блокировки.

Рассмотрим реализацию некоторых видов защит.

Защита при к.з. (максимально-токовая защита) обеспечивает немедленное отключение цепи, в которой произошло короткое замыкание. В силовых цепях она осуществляется: плавкими предохранителями Пр (рис. 2.15, а), автоматами В1 с электромагнитными расцепителями рис. 2.15, б, и максимальными токовыми реле РМ1 и РМ2 (рис. 2.15, в). Цепи управления защищают при к.з. либо теми же аппаратами, что и силовые цепи (обычно при мощности двигателей 1до 10 кВт), либо своими плавкими предохранителями Пр или автома­тами (рис. 2.15, в).

Рис. 2.15. Узел схемы управления, реализующий защиту от токов к.з.

Максимально-токовые реле РМ1 и РМ2 одновременно защищают двигатель постоянного тока или асинхронный двигатель с контактными кольцами от недопустимо больших толчков тока.

Номинальный ток плавкой вставки I_{вст н} предохранителей и ток уставки (ток срабатывания) I_уст автоматов и максимальных токовых реле определяют по приведенным далее формулам.

Для защиты короткозамкнутых асинхронных двигателей с началь­ным пусковым током I_п при нормальных условиях пуска (t_п 5 с) или при большой частоте пусков

независимо от условий пуска

Для защиты асинхронных двигателей с контактными кольцами и двигателей постоянного тока:

Значение номинального тока двигателя I_ном для двигателей повторно-кратковременного режима работы берут при ПВ = 25%.

Для защиты цепей управления

где I_{Σ кат} суммарный ток катушек максимального количества одновременно включенных аппаратов.

Защита двигателей от перегрева, вызванного перегрузкой по току, реализуется: при продолжительном режиме работы — посредством тепловых реле (рис. 2.16, а) или автоматов с тепловым расцепителем (двигатель постоянного тока защищают одним тепловым реле); при повторно-кратковременном режиме работы — с помощью двух максимальных токовых реле РМ1 и РМ2 (рис. 2.16, б), поскольку в этом режиме

Рис. 2.16. Узел схемы, реализующий тепловую защиту

трудно согласовать тепловые характеристики двигателя и теплового реле. Применение для защиты асинхронных двигателей двух тепловых или максимальных токовых реле позволяет одновременно обеспечить защиту двигателя от работы на двух фазах. Реле времени РВ вводится в схему на рис. 2.16, б для того, чтобы реле РМ1 и PM2 не отключали двигатель при пуске. На время пуска контакт реле РВ шунтирует размыкающие контакты РМ1 и РМ2. Реле РМЗ в этой схеме служит для защиты при к.з. Номинальный ток нагревательного элемента теплового реле I_нагр и теплового расцепителя автомата I_расц._н выбирают из условия

Самодельное устройство защиты электродвигателя от неполнофазных режимов и перегрузки

В качестве типовых элементов защиты электродвигателей чаще всего применяют электротепловые реле. Конструкторы вынуждены завышать номинальный ток этих реле, чтобы не было срабатываний при пуске. Надежность такой защиты невелика, и большой процент двигателей выходит из строя в процессе эксплуатации.

Схема устройства защиты двигателей (см. рисунок) от неполнофазных режимов и перегрузки отличается повышенной надежностью. Транзисторы VT1, VT2 совместно с присоединенными к ним эллементами образуют аналог динистора, напряжение включения которого (Uвкл) зависит от отношения R6/R7. При указанных на схеме номиналах 30 В U вкл на выходе выпрямителя превысит Uвкл, транзисторы VT1, VT2 откроются, и реле KV1 окажется под напряжением. Контакты KV1.1 разорвут цепь блокировки магнитного пускателя, и двигатель выключится. Контакты KV1.2 блокируют транзисторы VT1 и VT2, подготавливая схему к следующему циклу работы. Скорость срабатывания защиты зависит от емкости конденсатора СЗ. Длительность импульса включения реле KV1 зависит от сопротивления обмотки KV1 и емкости конденсатора СЗ. В некоторых пределах скорость защиты можно менять, подбирая номиналы С1, С2, R1 — R3.

Все детали, кроме R1. R3 и Т1, монтируют на печатной плате. После сборки платы надо подключить вольтметр к СЗ и, подав на один из входов выпрямителя (С1 или С2) переменное напряжение 20-24 В, проверяют напряжение включения VT1 и VT2. При необходимости надо подобрать сопротивление резистора R6. Реле KV1 будет периодически включаться. Окончательно налаживают схему на действующем двигателе. Сначала надо подобрать количество витков w1 в пределах 1-10 витков (зависит от мощности двигателя), чтобы в нормальном режиме на цепочку R4, R5 поступало 22-24 В. Резистором R4 устанавливают порог срабатывания защиты по перегрузке. Если происходит срабатывание при пуске, то надо увеличить емкость конденсатора СЗ, не меняя положения движка R4. После этого проверить работу схемы, имитируя непол-нофазный режим.

В качестве VD1. VD4 можно применить любые выпрямительные диоды с Uобр > 100 В и током более 30 мА. Транзисторы VT1, VT2 можно заменить на КТ361 или КТ315. Реле KV1 на напряжение 24 В с контактами, годными для коммутации в цепях 220 В переменного тока.

В трансформаторе Т1 лучше всего применить легкоразборный ленточный стержневой сердечник сечением 2-4 см2. Вторичную обмотку можно намотать проводом 0,15-0,2 мм 1000-1500 витков, а первичную — монтажным проводом подходящего сечения. Резисторы R1. R3 необходимо установить непосредственно на двигателе, залив их битумом для защиты от влаги.

Литература 1. Коломейцев К. Защита электродвигателя от работы на двух фазах //Радиолюбитель.- 1999.-№ 1.-С.29.