Универсальная защита для асинхронного электродвигателя: миф или реальность?

Введение

Преобразование электрической энергии в механическую с помощью электродвигателя позволяет
легко и экономически выгодно приводить в движение разнообразные рабочие механизмы: конвейеры,

подъемно-транспортное оборудование, насосы, вентиляторы, компрессоры, металлорежущие станки,
прокатные станы, швейное оборудование, пр.
Благодаря простоте конструкции, высокой надежности и невысокой стоимости асинхронный
электродвигатель с короткозамкнутым ротором (далее по тексту АД), является наиболее распространенным
электродвигателем. Свыше 85% всех электрических машин – это трехфазные асинхронные электродвигатели.
По статистике сейчас в общественном производстве России находится не менее 50 млн. единиц трехфазных
АД напряжением 0,4 кВ.
АД обычно рассчитаны на срок службы 15-20 лет без капитального ремонта, при условии их
правильной эксплуатации. Под правильной эксплуатацией АД понимается его работа в соответствии с
номинальными параметрами, указанными в паспортных данных электродвигателя. Однако в реальной жизни
имеет место значительное отступление от номинальных режимов эксплуатации. Это, в первую очередь, плохое
качество питающего напряжения и нарушение правил технической эксплуатации: технологические перегрузки,
условия окружающей среды (повышенные влажность, температура), снижение сопротивления изоляции,
нарушение охлаждения. Последствием таких отклонений являются аварийные режимы работы АД. В
результате аварий ежегодно выходят из строя до 10% применяемых электродвигателей. Например, 60%
скважных электронасосных агрегатов, ломаются чаще одного раза в году. Выход из строя АД приводит к
тяжелым авариям и большому материальному ущербу, связанному с простоем технологических процессов,
устранением последствий аварий и ремонтом вышедшего из строя электродвигателя. Ремонт электрической
машины мощностью до 1 кВт обходится в 5-6 $ США. Чтобы оценить, во что обойдется ремонт более мощной
машины, надо просто умножить эту цифру на мощность двигателя. Помимо этого, работа на аварийных
режимах ведет к повышенному энергопотреблению из сети, увеличению потребляемой реактивной мощности.
Совершенно очевидно, что применение надежной и эффективной защиты от аварийных режимов
работы значительно сократит количество и частоту аварийных ситуаций и продлит срок службы АД, сократит
расход электроэнергии и эксплутационные расходы. Но, для того, чтобы выбрать эту защиту необходимо знать,
как и от чего необходимо защищать АД, а также специфику процессов протекающих в нем в случае аварий.

Аварийные режимы АД.

Аварии АД подразделяются на два основных типа: механические и электрические.
Механические аварии это: деформация или поломка вала ротора, ослабление крепление сердечника статора к
станине, ослабление опрессовки сердечника ротора, выплавление баббита в подшипниках скольжения,
разрушение сепаратора, кольца или шарика в подшипниках качения, поломка крыльчатки, отложение пыли и
грязи в подвижных элементах, пр.
Причиной большинства механических аварий являются радиальные вибрации из-за асимметрии
питающей сети (т. н. перекос фаз), механические перегрузки на валу электродвигателя, брак комплектующих
элементов или допущенный при сборке. До 10% всех аварий АД имеют механическое происхождение. При
этом 8% приходится на долю аварий, связанных с асимметрией фаз и только 2% на аварии, связанные с
механическим перегрузом. Доля аварий, связанных с браком мала и, поэтому, ее можно не принимать во
внимание в настоящем рассмотрении. Оценка вероятностей возникновения механических аварий отсутствует,
большая их часть, носит скрытый характер и выявляется только после соответствующих испытаний или
разборки двигателя, однако, постоянный контроль сетевого напряжения и нагрузки на валу АД позволяет, в
большинстве случаев, свести эту вероятность к минимуму.
Электрические аварии АД, в свою очередь, делятся на три типа:

• сетевые аварии (аварии по напряжению), связанные с авариями в питающей электросети;
• токовые аварии, связанные с обрывом проводников в обмотках статора, ротора, или кабеля, =межвитковое и междуфазное замыкание обмоток, нарушением контактов и разрушении соединений,выполненных пайкой или сваркой; аварии, приводящие к пробою изоляции в результате нагрева,вызванного протеканием токов перегруза или короткого замыкания;
• аварии, связанные со снижением сопротивления изоляции вследствие ее старения, разрушения или увлажнения.

Сетевые аварии АД. Качество электроэнергии на территории РФ определяет ГОСТ 13109-97
«Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества
электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». ГОСТ определяет соответствие
стандартам целого ряда показателей, в первую очередь, таких как отклонения напряжения и частоты,
коэффициент гармонической составляющей четного и нечетного порядка, коэффициенты обратной и нулевой
последовательности напряжения, пр. Из-за аварий на подающих подстанциях, КЗ в распределительных сетях,
коммутационных и грозовых возмущений, неравномерности распределения нагрузки по фазам, фактические
значения ряда показателей больше допустимых, что ведет к аварийным режимам работы АД. По
статистическим данным до 80% аварий электродвигателя напрямую или косвенно связаны именно с авариями
сетевого напряжения.

Анализ показателей качества электрической энергии (ПКЭ) относительно условий работы АД
показывает, что, например, при уменьшении напряжения в сети, возрастает ток статора, приводящий к
интенсивному нагреву изоляции АД и сокращению срока службы вследствие ускоренного старения изоляции и
ее пробоя, а повышение напряжения приводит к увеличению магнитного потока статора, тока намагничивания,
нагреву сердечника (вплоть до «пожара» в стали), потребляемой из сети реактивной мощности, снижающей
коэффициент мощности. В таблице № 1 приведены обобщенные данные о влиянии основных показателей
качества электрической энергии на режимы работы АД.

Следует отметить, что существует еще несколько типов сетевых аварий, которые происходят наиболее часто,
но, напрямую ГОСТом не регламентируются, т. к. являются крайними случаями проявлениями несимметричных
режимов работы АД. Это обрыв одной из фаз, нарушение последовательности фаз и «слипание» фаз.

Обрыв фаз, как правило, связан с обрывом жилы питающего кабеля, сгоревшим предохранителем или
отключением автомата в одной из линий или обрывом самой линии. При соединении обмоток двигателя
звездой напряжение в двух фазах делится поровну и составляет половину линейного Uф= Uл/2, в третьей
отсутствует. Такие режимы приводят к повышенному энергопотреблению из сети, перегреву обмоток статора.
Поле из вращающегося превращается в пульсирующее, ток в оборванной фазе будет отсутствовать, в двух
других увеличится на 50%. Двигатель не разворачивается даже на холостом ходу. В некоторых типах
двигателей в случае, если обрыв произошел во время работы двигателя, на оборванной фазе генерируется т.
н. напряжение «рекуперации», близкое по фазе и амплитуде сетевому, двигатель переходит в тормозной
режим работы и, если его не отключить, сгорает в течение нескольких минут.
Аварийный режим «слипания» фаз происходит в случае обрыва одной из питающих фаз и замыкании
ее со стороны двигателя на другую фазу. При этом одно и то же фазное напряжение подается на две фазы двигателя, на третьей остается в норме. При незначительной амплитудной несимметрии, наблюдается
значительная фазная несимметрия приводящая к появлению значительных напряжений обратной
последовательности, вызывающих перегрев двигателя и выход его из строя.

Нарушение закрепленной ГОСТом последовательности фаз А-В-С (В-С-А, С-А-В), на любую другую
обуславливает реверсивный режим работы – вращение двигателя в другую сторону, что часто недопустимо по
условиям технологического процесса, т. к. вызывает вращение приводного механизма в другую сторону и
может привести, помимо аварии самого двигателя, к тяжелым, порой катастрофическим последствиям.
Постоянный контроль наличия и качества сетевого напряжения, включая гармонический анализ,
вычисление действующих или средних значений напряжения до включения двигателя, контроль за его
состоянием во время работы АД, в т. ч. за изменениями параметров фазных напряжений вызванных режимами
работы самого двигателя, позволят, зачастую, избежать причин возникновения аварийных режимов,
предотвратить появление режимов короткого замыкания и токового перегруза.

Токовые аварии АД. Напряжение на зажимах АД и фазные токи, протекающие по его обмоткам тесно
взаимосвязаны и любые, даже небольшие, изменения сетевого напряжения вызывают значительные
изменения фазных токов (см. табл. № 1). Для эффективной защиты АД необходимо измерять фазные токи как
можно точнее. Согласно последним исследованиям, длительная работа двигателя с токовым перегрузом всего
лишь на 5% от номинального, сокращает срок его службы в 10 раз. В связи с сильной несинусоидальностью
кривой тока, особенно во время пусков, в ней присутствует большое количество гармоник высшего порядка,
оказывающих существенное влияние на величину действующего значения тока. Поэтому, если принимать
решение о работе АД не по вычисленным действующим значениям тока, а по неким усредненным сигналам
или, еще хуже, по пиковым значениям, это может привести к ложным выводам о наличии или отсутствии
токового перегруза.
Различают два вида токового перегруза АД: симметричный и несимметричный. Симметричный токовый
перегруз, как правило, связан с механическими перегрузками на валу двигателя. Их значение напрямую
связано с режимами работы АД и тепловым перегрузом, о которых речь пойдет ниже.
Большая часть токовых аварий АД, связана, в первую очередь, с повреждениями внутри самого
двигателя, приводящими к несимметричному токовому перегрузу. Рассмотрим основные виды таких аварий
(табл. № 2).

Во всех случаях внутренних аварий электродвигателя наблюдается значительная асимметрия фазных
токов, превышающая в несколько раз асимметрию напряжений. Поэтому постоянный контроль токов,
соотношение токового перекоса с перекосом напряжений, позволяют принимать достаточно достоверные
выводы о наличии таких аварий и оперативно отключать двигатель.

Режимы работы АД.В зависимости от характера изменения нагрузки различают четыре основных
номинальных режима работы АД: продолжительный, кратковременный, повторно-кратковременный и
смешанный. Не будем подробно останавливаться на описании этих режимов, заметим только, что основной
характеристикой нагрузочных режимов является тепловая характеристика электродвигателя. Работа АД всегда
сопровождается его нагревом, что обусловлено происходящими в нем процессами и потерями энергии.
Нормативный срок службы электродвигателя определяется, в конечном счете, допустимой температурой
нагрева его изоляции. В современных двигателях применяется несколько классов изоляции, допустимая
температура нагрева которых составляет для класса А – 105°С, Е – 120°С, В – 130°С, F – 155°C, H – 180°C, С
свыше 180°С. Превышение допустимой температуры ведет к преждевременному разрушению изоляции и
существенному сокращению срока его службы.

В эксплуатации, в основном, приходится сталкиваться с режимами, ненормированными ГОСТами.
Наиболее характерным является режим с быстроизменяющейся нагрузкой, когда двигатель периодически
входит в режим перегрузки, возвращаясь затем на номинальный режим или опускаясь в режим работы с
нагрузкой меньше номинальной. Если машина работает в продолжительном режиме, но с переменной
нагрузкой (Р1, Р2, Р3…), имеет место неустановившийся тепловой процесс (см. рис. 4)., т. к. в разные
промежутки времени: t1, t2, t3, t4 и т. д. в ней возникают различные потери мощности, а следовательно,
различные тепловые потери. Для эффективного контроля количества тепла, накопленного двигателем в
процессе работы, необходимо выяснить законы нагрева и охлаждения асинхронного электродвигателя.

Уравнение теплового баланса АД. В связи с трудностью проведения такого анализа, принимаются
следующие допущения: двигатель рассматривается как однородное тело, имеющее бесконечно большую
теплопроводность и одинаковую температуру во всех своих точках. Теплоемкость двигателя и его
коэффициент теплоотдачи не зависят от нагрузки на валу двигателя. Температура двигателя зависит не только
от нагрузки, но и от температуры окружающей среды. Средняя температураtпропорциональна количеству
теплаQ, накопленному двигателем

t =Q /C, (1)
гдеС– теплоемкость двигателя. Потери тепла двигателем пропорциональны его температуре

dQ /dt =-A *t =-A *Q /C, (2)
гдеA– теплоотдача двигателя. Если предположить, что до включения двигатель был холодным
основное тепловое уравнение при работе двигателя можно записать в виде

dQ /dt =-A Q /C +I2R, (3)
гдеI2*R– мощность потерь, выделяемая в двигателе при протекании тока I по обмоткам с активным
сопротивлением R.

Решение уравнения (3) при постоянном токе I

Q (t )=Qo * (1-е-t A / C), (4)

где Q о=I2R*C/A, – установившееся количество тепла в двигателе при dQ/dt =0.
Предельно допустимому току двигателяI номсоответствует предельно допустимое количество тепла

Q ном= I2ном *R *C/A(5)

и предельно допустимая температура (относительно окружающей среды)

t ном=Q ном/C= I2ном *R/A(6)

При включении двигателя на постоянном токе вNраз превышающемI номвремя выхода на предельно
допустимое количество теплаQ ном

TN={lnN2-ln(N2-1)}/(A/C)(7)

Псевдотепловые математические модели электродвигателей положены в основу большинства защит
АД от теплового перегруза. Постоянный расчетI2с учетом скорости нагрева и остывания двигателя при, как
можно большей степени дискретизации измерений, дают наиболее полную картину о количестве тепла,
накопленного двигателем и опасному, с точки зрения допустимого нагрева изоляции. При превышении
допустимого нагрева для данного класса изоляции происходит так называемое ускоренное «старение»
изоляции: снижается механическая прочность, появляется хрупкость, разломы и трещины, что приводит к
снижению ее электрической прочности и пробою.

Снижение сопротивления изоляции. В процессе эксплуатации АД его изоляция неизбежно «стареет».
Основными причинами, вызывающими эти процессы являются: нагревание обмоток рабочими и пусковыми
токами, токами короткого замыкания и перегруза, теплотой от посторонних источников; динамическими
усилиями, возникающими при взаимодействии проводников с током, коммутационными перенапряжениями. На
состояние изоляции большое влияние оказывают также условия окружающей среды – температура и
влажность воздуха, загрязненность и запыленность.

Состояние изоляции определяет степень безопасной эксплуатации электроустановок.
Электродвигатель допускается эксплуатировать, если сопротивление его изоляции на корпус не менее 0,5
Мом. Вероятность пробоя изоляции возрастает на порядок, если сопротивление изоляции в два раза меньше
допустимого. При снижении сопротивления изоляции высока вероятность появления такой тяжелейшей аварии АД, как пробой обмотки статора на корпус (короткое замыкание на корпус), опасной не только для самого
электродвигателя, но и для обслуживающего персонала. По сети начинают протекать токи короткого
замыкания в 10-100 раз превышающие номинальные, а на корпус электроустановки может быть вынесено
высокое напряжение, опасное для жизни человека. Не менее важным является непрерывный контроль
сопротивления изоляции обмоток статора во время работы электродвигателя, т. к. диэлектрические свойства
изоляции, измеренные до включения АД, могут внезапно измениться под воздействием электрического
напряжения и температуры. Для этого используется измерение тока утечки на «землю» с помощью
дифференциального трансформатора тока, реагирующего на появление дифференциального (разностного)
тока выше некоторой уставки, заданной пользователем.

Методы защиты от аварийных режимов. Стремясь защитить двигатели от аварийных режимов, еще
с середины прошлого века в энергетике стали применять различную релейную защиту: тепловую, токовую,
температурную, фильтровую и комбинированную. Многолетний опыт эксплуатации АД показал, что
большинство существующих защит не обеспечивают безаварийную работу АД. Так, например, тепловые реле
рассчитывают на длительную перегрузку 25-30% от номинальной. Но, чаще всего, они срабатывают при
обрыве одной фазы при нагрузке 60% от номинальной. При меньшей нагрузке реле не срабатывает и АД
продолжает работать на двух фазах и выходит из строя в результате перегрева изоляции обмоток.
Правильный выбор защитного устройства – это важный фактор в обеспечении безопасной эксплуатации АД.
Приборы защиты АД от аварийных режимов можно разделить на несколько видов:

• а) тепловые защитные устройства: тепловые реле, расцепители;
• б) токозависимые защитные устройства: плавкие предохранители, автоматы;
• в) термочувствительные защитные устройства: термисторы, термостаты;
• г) защита от аварий в электросети: реле напряжения и контроля фаз, мониторы сети;
• д) приборы МТЗ (максимальной токовой защиты), электронные токовые реле;
• е) комбинированные устройства защиты.

Современные стандарты большинства стран мира, включая и Россию, предъявляют все более высокие
требования к безопасной эксплуатации асинхронных электродвигателей (далее по тексту АД). Высокие
показатели надежности и долговечности АД возможны только при условии их эксплуатации при номинальных
или близких к ним режимах, что можно обеспечить только установкой надлежащей защиты. Все из
перечисленных в первой части статьи защитных устройств служат для быстрого, в течение доли секунды,
определения характера и степени повреждения двигателя и локализации аварийного участка путем
отключения его от остальной схемы электроснабжения. Но, вместе с тем, каждое из них имеет и целый ряд
существенных недостатков, влияющих на качество их работы: одни отличаются неоправданной
избирательностью, у других отсутствует отстройка от процесса пуска, третьи не реагируют на токи к. з. или
перегруза и т. д. Для того, чтобы правильно выбрать защитное устройство, необходимо знать, как и от каких
аварий защищает конкретное устройство, принцип их действия и конструктивные особенности.

Токозависимые защитные устройства: предохранители, автоматические выключатели
(автоматы).

Предохранители предназначены для защиты электрических сетей от перегрузок и коротких замыканий. Конструктивно они состоят из корпуса из электроизоляционного материала и плавкой вставки, выбираемой
из такого расчета, чтобы она плавилась прежде, чем температура двигателя достигнет опасных пределов в
результате протекания токов перегруза или к. з. Включаются предохранители последовательно защищаемой
сети.

Основной характеристикой плавкой вставки является зависимость времени ее перегорания от тока
(рис. 1). Здесь, I ном – номинальный ток плавкой вставки, при котором она работает длительно, не нагреваясь
выше допустимой температуры; Imin – наименьший ток, расплавляющий вставку в течение длительного
времени (1-2 ч); I10–ток, при котором расплавление вставки и отключение сети происходит через 10 с, после
установления тока. Токи плавкой вставки связаны соотношением

Iном = I10/2,5 (1)

При графическом изображении токо-временной характеристики плавких предохранителей, по оси
абсцисс иногда откладывают не абсолютное значение тока, а его кратность относительно номинального (рис.2).

При защите короткозамкнутых АД следует учитывать, что пусковой ток двигателя в 5-7 раз больше
номинального, а время пуска электродвигателя равняется нескольким секундам. Номинальный ток плавкой
вставки с учетом пускового тока определяется по формуле:

Iном = kпIn/α (2)

гдеkп– кратность пускового тока электродвигателя по отношению к номинальному;In– номинальный ток
электродвигателя, А;α –коэффициент, зависящий от условий пуска электродвигателя.
Для двигателей с нормальными условиями пуска (редкие пуски и временем разгона 5-10 с),α=2,5; для
двигателей с тяжелыми условиями пуска (частые пуски и большая длительность разгона)α=1,6-2.
Как следует из формулы (2), предохранители способны защитить АД, только от токов короткого
замыкания, в 10-100 раз превышающие номинальные токи. Токи же перегруза или другие токовые аварии, они
будут воспринимать как пусковые токи, не реагируя на них. В лучшем случае, они способны отключить
электродвигатель только через несколько минут, что может привести к перегреву обмоток и к аварии АД.
Поэтому, для защиты электродвигателей от короткого замыкания в нем самом или в подводящем кабеле, используют предохранители типа аМ с более пологой токо-временной характеристико. Они способны выдерживать, не расплавляясь, токи в 5-10 раз превышающие номинальные в течение 10 с, что вполне
достаточно для запуска двигателя. Для защиты от перегрузки необходимо использовать другие устройства.
Предохранители абсолютно не способны защищать от аварий, связанных с авариями сетевого
напряжения, от аварий, связанных с нарушением режимов работы АД или тепловым перегрузом, а также от
режима холостого хода двигателя. В то же время, при однофазном к. з., а иногда при сильном перекосе фаз
они, как правило, отключают только одну фазу, что приводит к аварийному режиму работы на двух фазах.

Автоматические выключатели (автоматы)предназначены для включения и отключения асинхронных
электродвигателей и других приемников электроэнергии, а также для защиты их от токов перегрузки и
короткого замыкания.

Автоматы совмещают в себе функцию рубильника, предохранителя и теплового реле. Обеспечивают
одновременное отключение всех трех фаз в случае возникновения аварийных ситуаций. В рабочем режиме
включение и отключение производится вручную; в аварийном режиме он отключается автоматически
электромагнитным или тепловым расцепителем.
Важной составной частью автомата является расцепитель, который контролирует заданный параметр
защищаемой сети и воздействует на расцепляющее устройство, отключающее автомат. Наибольшее
распространение получили расцепители следующих типов:

• электромагнитные, для защиты от токов короткого замыкания;
• тепловые для защиты от перегрузок;
• комбинированные;

Электромагнитный расцепитель состоит из катушки с подвижным сердечником и возвратной пружины.
При протекании по катушке тока короткого замыкания сердечник мгновенно втягивается и воздействует на
отключающую рейку механизма свободного расцепления.
Тепловой расцепитель представляет собой биметаллическую пластину, соединенную последовательно
с контактом. При нагревании ее током перегрузки она изгибается и воздействует на отключающую рейку
механизма свободного расцепления с обратно-зависимой выдержкой времени.
Выбор автоматических выключателей производится по номинальному току, характеристике
срабатывания, отключающей способности, условиям монтажа и эксплуатации. Правильный выбор
характеристики автоматического выключателя является залогом его своевременного срабатывания.
В соответствии со стандартами IEC 898 (стандарт международной электротехнической комиссии) и EN
60898 (европейская норма) по характеристикам срабатывания выключатели бывают трех типов:B, C, D.

Здесь t – время срабатывания электромагнитного расцепителя, сек-мин; K=I/Iн – кратность тока к
номинальному значению.

Тип B величина тока срабатывания магнитного расцепителя равна Iв= KIн, при K=3–6. Бытовое
применение, где ток нагрузки невысокий и ток к. з. может попасть в зону работы теплового, а не
электромагнитного расцепителя.
Тип C величина тока срабатывания магнитного расцепителя Iс= KIн, при K=5–10. Бытовое и
промышленное применение: для двигателей с временем пуска до 1 сек, нагрузки с малыми индуктивными
токами (холодильных машин и кондиционеров).
Тип D величина тока срабатывания магнитного расцепителя Id = KIн более 10Iн. Применение для
мощных двигателей с затяжным временем пуска.
Для выбора автоматического выключателя по отключающей способности необходимо выполнить
расчет ожидаемого тока короткого замыкания. Как показывает практика, для большинства типа сетей его
значение не превышает 4,5 кА.
Тепловые расцепители, используемые в автоматических выключателях, чувствительны к нагреву от
посторонних источников. В практике нередко случается, что расцепитель промежуточного полюса при
номинальном режиме отключается только из-за нагрева соседних полюсов. Это приводит к ограничению
области его работы и к коррекции номинального тока с учетом графика (рис. 4).
Kн=I/Iн – коэффициент нагрузки; N – количество полюсов автоматического выключателя.

Нагрузочная характеристика большинства автоматических выключателей зависит от температуры
окружающей среды: при ее снижении коэффициент нагрузки увеличивается, при повышении – падает. Это
ограничивает возможность их использования в условиях жесткого температурного режима эксплуатации,
особенно в горячих цехах или в условиях открытого воздуха.
Для обеспечения контроля за другими видами аварий автоматические выключатели снабжают целым
рядом дополнительных устройств.
Расцепитель минимального напряжения отключает автомат при недопустимом снижении напряжения,
ниже 0,7Uн, расцепитель нулевого напряжения срабатывает при напряжении в сети менее 0,35Uн, где Uн –
номинальное напряжение в сети.
Независимый расцепитель предназначен для дистанционного отключения автоматического
выключателя, электромагнитный привод для дистанционного оперирования выключателем. Расцепитель токов
утечки на землю обеспечивает непрерывный контроль за состоянием изоляции установки, защиту от опасности
возгорания или взрыва.
Специально для защиты электродвигателей были разработаны так называемые мотор-автоматы. В
отличие от стандартного автомата, мотор-атоматы имеют целый ряд особенностей:

• номинальный ток электромагнитного расцепителя составляет 12-14 Iнр, что соответствует режиму
  работы на индуктивную нагрузку (AC-3);
• высокую электродинамическую стойкость до 100 кА;
• рычаг или кнопки управления электроприводом на корпусе;
• встроенные или навесные быстромонтируемые дополнительные контакты, срабатывающие при перегрузках или к. з.

Разнесение функций защитных устройств на несколько независимых устройств создает массу
неудобств при монтаже и эксплуатации. Каждое из них не обладает универсальностью и подходит только к
конкретному автоматическому выключателю. Поэтому перед разработчиками остро встала проблема создания
универсального устройства.

Последние поколения автоматических выключателей снабжены т.н. электронными расцепителями,
осуществляющими комплексную защиту электродвигателя и объединяющими в одном устройстве функции
всех вышеперечисленных расцепителей. Они выполнены на базе микропроцессорной техники, гарантируют
высокую точность срабатывания, надежность и устойчивость к температурным режимам. Электропитание,
необходимое для правильной работы, обеспечивается непосредственно трансформаторами тока расцепителя.

Защитные расцепители состоят из трех или четырех трансформаторов тока (в зависимости от типа
сети), электронного блока и механизма расцепления, который воздействует непосредственно на механизм
выключателя. Для управления магнитным пускателем дополнительно потребуется вспомогательный блок
управления, позволяющий управлять контактором в случае аварии (за исключением короткого замыкания).
С помощью DIP — переключателей, размещенных на передней панели устройства или с помощью
специального электронного блока настройки, программируется определенный набор параметров и функций
расцепителя. Кривая срабатывания выключателя, максимально приближенная к рабочей характеристике АД
(см. рис. 6), определяет следующие параметры:

• функцияL– защита от перегрузки с обратнозависимой выдержкой по времени и характеристикой срабатывания согласно обратнозависимой кривой ( I2t = Const );
• функцияR– защита от заклинивания ротора с определенным временем задержки срабатывания;
• функцияI– защита от короткого замыкания с мгновенным срабатыванием;
• функцияU– защита от перекоса или обрыва фазы с определенным временем задержки срабатывания.

На характеристике:
I1– порог срабатывания по току для функции L ; I3– порог срабатывания по току для функции I ; I5– порог
срабатывания по току для функции R ; t5– порог срабатывания по времени для функции R ; I6– порог
срабатывания по току для функции U ; t6– порог срабатывания по времени для функции U ; Ie – номинальный
рабочий ток электродвигателя; Ia – пусковой ток электродвигателя; Ip – пиковое значение пускового тока; ta –
время пуска электродвигателя; tp – время нарастания пускового тока до Ip ; m – типовая кривая пуска
электродвигателя; с – пример кривой срабатывания автоматического выключателя с электронным
расцепителем; Класс – класс пуска электродвигателя, определяющий время срабатывания для защиты от
перегрузки согласно стандарта IEC 60947-4-14.7.3.

Автоматические выключатели, оснащенные электронными расцепителями, обеспечивают достаточную
защиту двигателя от перегрузки при работе в нормальном режиме с малым количеством включений, недолгими
запусками и умеренными пусковыми токами. Режим тепловой памяти, позволяющий вычислять температуру
двигателя при отключении, возможен только при наличии дополнительного источника питания. Эти
выключатели совершенно неэффективны при работе в старт-стопном режиме (>60 вкл./ч) и при тяжелом
запуске. Если тепловые постоянные времени электродвигателя и электронного расцепителя не совпадают, то
при настройке на номинальный ток двигателя, автоматический выключатель может сработать слишком рано
или не распознать режим перегрузки. Ограничение рабочих циклов автоматического выключателя (количества
включений-отключений), влечет за собой использование в таких схемах контактора, имеющего большее
количество циклов коммутации и лучшую коммутирующую способность. Но для подключения к нему
расцепителя потребуется вспомогательный блок управления. Дополнительные (вспомогательные) устройства
необходимы также для настройки и тестирования блока, что приводит к значительному удорожанию устройства
и усложнению режима его эксплуатации.

Тепловые защитные устройства: тепловые реле (расцепители).

Тепловые реле применяются для защиты электродвигателей от перегрузок недопустимой
продолжительности, а также от обрыва одной из фаз.
Конструктивно представляют собой набор биметаллических расцепителей (по одному на каждую фазу),
по которым протекает ток электродвигателя, оказывающий тепловое действие. Под действием тепла
происходит изгиб биметаллической пластины, приводящий в действие механизм расцепления. При этом
происходит изменение состояния вспомогательных контактов, которые используются в цепях управления и
сигнализации. Реле снабжаются биметаллическим температурным компенсатором с обратным прогибом по
отношению к биметаллическим пластинам для компенсации зависимости от температуры окружающей среды,
обладают возможностью ручного или автоматического взвода (возврата).
Реле имеет шкалу, калиброванную в амперах. В соответствии с международными стандартами шкала
должна соответствовать значению номинального тока двигателя, а не тока срабатывания. Ток несрабатывания
реле составляет 1,05 I ном. При перегрузке электродвигателя на 20% (1,2 I ном), произойдет его срабатывание
в соответствии с токо-временной характеристикой.

Выбор реле производится по кривым срабатывания (см. рис.7), с учетом холодного и теплого старта
электродвигателя. Характерным параметром выбора является перегрузочная способность электродвигателя:
Kp = Ia/In , где Ia — пусковой ток; In — номинальный ток и минимальное время пуска tE, указанные в паспортных
данных на электродвигатель. Кривая срабатывания при холодном пуске должна проходить ниже точки с этими
координатами. Как видно из рисунка, срабатывание реле из теплого состояния или при обрыве одной из фаз
произойдет значительно раньше, чем из холодного состояния или при наличие всех трех фаз (кривые лежат
ниже), т. е. реле обладают тепловой памятью. Здесь, теплое состояние реле – режим после длительного
протекания номинального тока.
Реле, в зависимости от конструкции, могут монтироваться непосредственно на магнитные пускатели, в
корпуса пускателей или на щиты. Правильно подобранные тепловые реле защищают АД не только от
перегрузки, но и от заклинивания ротора, перекоса фаз и от затянутого пуска.
Недостатком тепловых реле является то, что трудно подобрать реле из имеющихся в наличии так,
чтобы ток теплового элемента соответствовал току электродвигателя. Кроме того, сами реле требуют защиты
от короткого замыкания, поэтому в схемах должны быть предусмотрены предохранители или автоматы.
Тепловые реле не способны защитить двигатель от режима холостого хода или недогруза, причем даже при
обрыве одной из фаз. Поскольку тепловые процессы, происходящие в биметалле, носят достаточно
инерционный характер, реле плохо защищает от перегруза, связанного с быстропеременной нагрузкой на валу
электродвигателя.
Если нагрев обмоток обусловлен неисправностью вентилятора (погнуты лопасти или проскальзывание
на валу), загрязнением оребренной поверхности двигателя, тепловое реле тоже окажется бессильным, т. к.
потребляемый ток не возрастает или возрастает незначительно. В таких случаях, только встроенная тепловая
защита способна обнаружить опасное повышение температуры и вовремя отключить двигатель.

Термочувствительные защитные устройства: термисторы, термостаты.

Термочувствительные защитные устройства относятся к встраиваемой тепловой защите
электродвигателя. Располагаются в специально предусмотренных для этой цели гнездах в лобовых частях
электродвигателя (защита от заклинивания ротора) или в обмотках электродвигателя (защита от теплового
перегруза). В основном их можно разделить на два типа: термисторы – полупроводниковые резисторы, изменяющие свое сопротивление в зависимости от температуры и термостаты – биметаллические
выключатели, срабатывающие при достижение некоторой критической температуры.

Термисторы в основном делятся на два класса: PTC типа – полупроводниковые резисторы с
положительным температурным коэффициентом сопротивления и NTC типа – полупроводниковые резисторы с
отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Для защиты электродвигателей используются
в основном PTC термисторы (позисторы), обладающие свойством резко увеличивать свое сопротивление,
когда достигнута некоторая характеристическая температура T Ref (см. рис. 8). Применительно к двигателю,
это максимально допустимая температура нагрева обмоток статора для данного класса изоляции. Три (для
двухобмоточных двигателей шесть) PTC -термистора соединены последовательно и подключены ко входу
электронного блока защиты. Блок настроен таким образом, что при превышении суммарного сопротивления
цепочки срабатывает контакт выходного реле, управляющий расцепителем автомата или катушкой магнитного
пускателя. Термисторная защита предпочтительней в тех случаях, когда по току невозможно определить с
достаточной точностью температуру двигателя. Это касается, прежде всего, двигателей с продолжительным
периодом запуска, частыми операциями включения и отключения (повторно-кратковременный режим) или
двигателей с регулируемым числом оборотов (при помощи преобразователей частоты). Термисторная защита
эффективна также при сильном загрязнении двигателей или выходе из строя системы принудительного
охлаждения.

Недостатками данного вида защиты является то, что с датчиками выпускаются далеко не все типы
двигателей. Это особенно касается двигателей отечественного производства. Датчики могут устанавливаться
только в условиях стационарных мастерских. Температурная характеристика термистора достаточно
инерционна и сильно зависит от температуры окружающей среды и от условий эксплуатации самого двигателя.
Они требуют наличия специального электронного блока: термисторного устройства защиты двигателей,
теплового или электронного реле перегрузки, в которых находятся блоки настройки и регулировки, а также
выходные электромагнитные реле, служащее для отключения катушки пускателя или электромагнитного
расцепителя.
Для более оперативного реагирования на сверхнормативные повышения температуры обмотки
статора, в корпус двигателя встраивают биметаллические выключатели (термостаты).

Термостаты, их иногда еще называют реле температуры, представляют из себя биметаллические
регуляторы, работающие по принципу температурной отсечки. Принцип работы термостата основан на
температурной деформации металла с различным коэффициентом теплового расширения. Состоят из
неподвжной контактной пластины, закрепленной в корпусе, биметаллической мембраны, изгибающейся в
зависимости от температуры и подвижной контактной группы, прикрепленной к ней стержнем. Для защиты
двигателей обычно используются три (по одному на каждую обмотку) нормально замкнутых термостата,
включенных последовательно и подключенных непосредственно к схеме управления двигателем. При
превышении критической температуры обмотки они мгновенно разрывают свою цепь, что приводит к
отключению двигателя.

Большинство из описанных защитных устройств, работающих по принципу измерения прямого или
косвенного теплового действия тока, очень плохо реагируют на аварии, связанные с авариями сетевого
напряжения. Для защиты от такого вида аварий используют реле напряжения и контроля фаз.

Реле напряжения и контроля фаз (мониторы напряжения).

Предназначены для постоянного контроля параметров сетевого напряжения и управления
трехфазными электроустановками в т. ч. АД, путем отключения их от электрической сети в случае наступления
аварийных режимов: недопустимых перепадов напряжения (скачки и провалы напряжения); обрывы, слипания,
перекосы, нарушения последовательности фаз и последующего автоматического повторного включения
электродвигателя после возвращения параметров сети в норму, если иное не предусмотрено технологическим
процессом.
Как показывает статистика, до 80% аварий электродвигателя, напрямую или косвенно связаны именно
с авариями сетевого напряжения. Для защиты АД наиболе целесообразно применение т. н. мониторов
напряжения, контролирующих несколько видов сетевых аварий.
Большинство из присутствующих на рынке реле напряжения, не обладают указанной
универсальностью. Одни из них контролируют только обрыв фаз, другие превышение или понижение
напряжения, третьи перекос фаз и т.д. Это приводит к необходимости использования нескольких аналогичных
реле одновременно, что неоправданно усложняет и удорожает схему, приводит к повышенному
энергопотреблению и тепловыделению, уменьшает надежность.

По схемотехнике данный класс реле условно можно разделить на две группы: аналоговые и цифровые.
О преимуществах цифровой техники перед аналоговой сказано достаточно много. Отметим только, что
характеристики аналоговых реле напряжения очень сильно зависят от параметров самого измеряемого
напряжения и температуры окружающей среды. Их отличает низкая надежность, большие габариты и
повышенное энергопотребление, работа по пиковым значениям напряжения, т. к. средствами аналоговой
техники практически невозможно вычислить действующее значение напряжения.

Микропроцессорные мониторы напряжения способны в одном малогабаритном устройстве совместить
большинство функций, производят работу по действующему значению напряжения, различают виды аварий,
имеют множество регулируемых и настраиваемых параметров. Специально для защиты АД у лучших образцов
реле имеется независимая регулируемая (или «зашитая») уставка по минимальному напряжению для
отстройки от пусковых посадок. Совмещать эту уставку с временем реакции (срабатывания) реле недопустимо,
т.к. точно с такой же задержкой реле будет реагировать и на тяжелые аварии, такие как обрыв фаз или
сильный перекос. Такие мониторы имеют регулировку АПВ в широких пределах (для управления
оборудованием с длительными переходными процессами), а также возможность контроля контактов
магнитного пускателя. Последняя функция наиболее актуальна для мощных двигателей или для двигателей,
работающих в старт-стопном режиме (например, для электродвигателей компрессоров).

Суммируя, все вышеизложеное можно сделать рядвыводовоб общих недостатках традиционных защитных устройств:

• неоправданная избирательность срабатывания, не поддающаяся корректировке (срабатывание при
  допустимых рабочих режимах и несрабатывание при аварийных режимах);
• отсутствие отстройки от процесса пуска (если пусковые токи превышают номинальные в 5-10 раз,
  необходимо загрублять время реакции реле, что практически исключает функцию защиты);
• невозможность отключения заторможенного ротора за определенное минимальное время;
• отсутствие сигнала о начале перегрузки;
• несогласованность токо-временной характеристики с перегрузочной кривой двигателя;
• неспособность точного определения критического тепла, накопленного двигателем.

Даже самые лучшие устройства защиты не решают полностью задачу по защите АД от механических
перегрузок, повреждений силового питающего кабеля, перекоса фазных токов, связанных с внутренними
авариями двигателя или с ухудшением сопротивления изоляции обмоток.
Полноценную защиту способно осуществлять устройство, которое будет не только контролировать
сетевое напряжение, фазные токи, протекающие в обмотках АД, но и сопоставляя оба эти параметра между
собой делать выводы о наличие той или иной аварии.

Универсальные устройства защиты АД.

Попытки создать эффективную защиту предпринимается различными производителями постоянно.
Наибольшее распространение получили две идеологии: угло-фазовый метод, реализованный в большинстве
импортных дорогостоящих устройств и контроль параметров работы двигателя по величине действующего
значения тока в каждой из питающих фаз, положенный в основу отечественных устройств.
Задача создания защитного устройства оказалась достаточно сложной. Во-первых, ток необходимо
измерять как можно точнее, ведь известно, что длительная работа АД всего лишь при 5% перегрузе сокращает
срок его службы в 10 раз. Во-вторых, в связи с сильной несинусоидальностью кривой тока, необходимо
определять действующее значение токов, включая гармонический анализ, чтобы учесть значения высших
гармоник, оказывающих наиболее вредное влияние на пусковые и рабочие характеристики двигателя. Работа
по пиковым значениям (длительным фронтам) или по неким усредненным суммам приводит к ложным
срабатываниям. В третьих, необходимо обеспечить отстройку от 7-8 кратных пусковых токов, одновременно
обеспечив отключение двигателя даже при небольших длительных перегрузках. В четвертых, защита должна
быть «умной», т. е. время срабатывания должно зависеть от тока. В пятых, необходимо отключать
недогруженный двигатель при возникновении недопустимой ассиметрии токов, т. к. это приводит к биению
ротора. В шестых, необходимо учитывать тепло, выделяемое при пусках двигателя, т. к. при частых пусках
двигатель может перегреться пусковыми токами, имея на валу нагрузку значительно ниже номинальной. Кроме
всего прочего, необходимо различать виды аварий, и по каждой из них принимать свое решение: можно или
нельзя включать двигатель повторно.

Большинство из представленных на рынке устройств т. н. токовой защиты, мало чем отличаются друг
от друга по своим функциональным возможностям и имеют общие недостатки: низкая точность выставления
токов, срабатывание по максимально допустимому току, отсутствие измерения напряжения и др.
Лишь совсем недавно появились недорогие отечественные устройства, в которых функции защиты
реализованы не хуже, а в некоторых, по совокупности параметров, даже лучше, чем у большинства импортных
аналогов, включая встроенные защиты преобразователей частоты и устройств плавного пуска. Такие
устройства объединяет наличие в измерительной цепи трансформаторов тока, контролирующих рабочие токи,
протекающие в обмотках статора, цифровая обработка сигнала, множество контролируемых параметров,
простота конструкции.

Для анализа был выбран ряд защитных устройств АД, наиболее часто используемых на наших
предприятиях, где зачастую отдают предпочтение отечественным устройствам перед их, возможно более
совершенными, западными собратьями. Несомненно, основная причина, – цена. В связи с низкой
платежеспособностью российских предприятий устанавливать на каждый ответственный электропривод
частотный преобразователь достаточно накладно, т. к. при больших мощностях их стоимость составляет
несколько тысяч долларов. К тому же, импортные защитные устройства порой не способны выдержать жесткие
режимы эксплуатации: повышеннае температура, влажность, низкое качество питающего напряжения, мощные
электромагнитные и коммутационные возмущения присутствующие в сети. У них усложнены схемы настройки и
отладки, требуется наличие специальных знаний для их эксплуатации, которые отсутствуют у специалистов
низшего звена.

Цена большинства отечественных устройств не превышает несколько сот долларов, причем
практически не зависит от мощности защищаемого АД. Они создавались с учетом наших условий. Способны
подстраиваться под реальные условия эксплуатации, при которых, по специфике производства, необходимо
иногда загрублять или наоборот ослаблять режимы работы. Просты в обращении и не требуют
дополнительных настроек.

Сравнение производилось по основным параметрам, которым, на наш взгляд, должно соответствовать
универсальное реле защиты АД: защита от аварий в электросети, возможность точной настройки на
номинальный (рабочий) ток двигателя, работа по действующим значениям токов, защита от внутренних
аварий, защита от механического перегруза, защита от холостого хода («сухой» ход для насосов, обрыв
шкива), защита от теплового перегруза, защита от пробоя изоляции на корпус, пр.

Защита от аварий сетевого напряжения: обрыв, слипание, нарушение последовательности,
перекос,скачки, провалы напряжения. В большинстве устройств такой контроль, как правило, отсутствует. В
некоторых, перед включением, в лучшем случае проверяется наличие и полнофазность питающей сети. В
большинстве случаев о плохом напряжении судят лишь после включения нагрузки по токам, т.е. косвенно. В
блоке УБЗ-301 напряжение измеряется как до включения (при плохом напряжении нагрузка не включится), так
и после включения двигателя.

Одновременный контроль токов и напряжений необходим для анализа вида аварии. Такой анализ дает возможность применить соответствующую логику принятия решений. Например, при сетевых
авариях повторный пуск разрешать, при авариях, связанных с повреждениями внутри двигателя – запрещать.

• Выставление номинальных и рабочих токов. Для правильной работы устройства защиты
  принципиально важно как можно точнее задать значение номинального тока двигателя. От того
  насколько правильно задан этот параметр зависит эффективность и достоверность принятия решения
  по различного рода перегрузам и другим токовым авариям. Для всех отечественных блоков – это
  камень преткновения. В одних он выставляется очень грубо, в других его выставление вообще
  невозможно, в третьих номинальный ток вовсе не выставляется, а выставляется ток срабатывания
  (максимальный), т.е. защита от перегруза – фактически защита по максимальному току с выдержкой
  времени (если ток будет меньше максимального, но выше номинального, двигатель войдет в перегруз,
  а защита это не определит). Например, ряд отечественных защитных устройств (см. УЗОТЭ-2У), перед
  их запуском предлагают потребителю создать на валу электродвигателя максимальную(?) нагрузку,
  уменьшая ее затем до номинальной. При этом производители таких блоков не сообщают как это в
  принципе можно сделать. Точная уставка необходима для задания критических параметров работы,
  относительно которых будет производиться отсчет. Согласно исследованиям,долговременное
  использование электродвигателя с нагрузкой всего лишь на 5% превышающей номинальную, ведет
  к 10-кратному сокращению срока службы обмоток электродвигателя. Таким образом,
  невозможность точного выставления номинального тока означает, что эти блоки обеспечивают
  слишком грубую защиту, по сути не сильно отличающуюся от функций обыкновенного (гораздо более
  дешевого) теплового реле. В УБЗ-301 номинальный ток выставляется до включения нагрузки с высокой
  степенью точности.
• Работа по действующим значениям тока и напряжения. Ни одна из известных защит не дает такой возможности. Важность принятия решения по действующим значениям, особенно токов, определяется тем, что формы кривых токов, особенно при пусках, очень далеки от синусоиды. Если принимать решения не по действующим значениям, а по неким усредненным сигналам, или (еще хуже) по пикам, как сделано во многих других устройствах, то такие защиты будут срабатывать ложно, либо, сильно загрубленные, не будут эффективно защищать нагрузку. В блоке УБЗ-301 действующее значение токов определяется методом векторного и гармонического анализа до 7-й гармоники включительно.
• Защита по тепловому перегрузу. Применение микропроцессорной техники позволило в УБЗ-301 применить сложную математическую обработку сигналов. В частности, постоянно измеряя действующее значение тока, решается уравнение теплового баланса электродвигателя. Таким образом, УБЗ-301 анализ перегруза производит с учетом «истории» работы электродвигателя. Это означает, например, что предварительно нагруженный двигатель после перегруза будет отключен быстрее, чем предварительно холодный. В других блоках в лучшем случае работа происходит по некоторой усредненной токо-временной характеристике, без учета предварительно накопленного двигателем тепла. Особенно такой подход необходим, когда нагрузка на валу электродвигателя переменная с периодическими перегрузами. В этом случае двигатель может получить тепловой перегруз, находясь в зоне перегруза кратковременно, периодически возвращаясь на номинальную нагрузку. Это же можно отнести к частым пускам.Важным преимуществом такого подхода, является то, что он позволяет ограничить количество пусков в единицу времени. Это очень важно, т.к. двигатель, имея нагрузку на валу меньше номинальной, может перегреться от частых пусков. Уравнение теплового баланса решается непрерывно, как в процессе работы двигателя, так и при его остановах.
• Защита при симметричном/несимметричном перегрузе фазных/линейных токов по сложной логике принятия решений(механические перегрузки, повреждения внутри двигателя/питающего кабеля, пр.).
• Защита по минимальному рабочему или пусковому току(«сухой ход» для насосов).
• Повышенные габариты, вес, энергопотребление, небольшой диапазон рабочих температур говорят о наличие аналоговых компонентов в схемотехнике большинства устройсв. А это значит, что невозможно достичь требуемого уровня надежности и точности.

В блоке УБЗ-301, в отличие от других, два гальванически развязанных «сухих» контакта, что
необходимо для построения схемы дистанционного контроля и управления. Он единственный имеет
интерфейсный выход, что дает возможность использования его в проектах АСУ ТП и диспетчеризации.

Выводы.

Обобщая все вышеизложенное можно сказать, что на рынке отечественного
приборостроения наконец появились недорогие защитные устройства, которые не только способны составить
альтернативу дешевым традиционным средствам защиты: предохранителям, автоматам, тепловым реле, но и
оказывают достойную конкуренцию дорогим импортным устройствам – токовым реле перегрузки, устройствам
плавного пуска, частотным преобразователям с их встроенными функциями защиты.

Дальнейшее развитие видится в создании таких же качественных и недорогих отечественных устройств
плавного управления пуском и регулирования скоростью вращения АД, при сохранении всех функций защиты.
Такие устройства должны исключать большинство причин, ведущих к возникновению аварийных режимов:
большие пусковые токи, токовые перегрузки, механические перегрузки пр., путем изменения напряжения и
частоты питающей сети. Они позволят оптимизировать работу АД в различных режимах, обеспечить плавный
пуск, бесступенчатое регулирование скоростью, равномерное вращение двигателя в зоне перегрузок, высокие
показатели эффективности (к.п.д. и коэффициент мощности), улучшат динамику работы электропривода. Это
даст возможность снизить износ механических звеньев, продлит срок службы обмоток статора и в целом АД,
уменьшит энергопотребление и потребление реактивной мощности.

Автор статьи: Соркинд Михаил, ст. менеджер ООО «Новатек-Электро» СПб

Поделиться ссылкой: