В сучасному індустріальному світі електричні двигуни посіли вагоме місце в промислових системах як елементи приводу майже в усіх галузях промисловості. Постійна тенденція до збільшення використання саме електричних двигунів різних типів замість пневматичних або гідравлічних систем в промислових лініях оброки останнім часом стає дуже вираженою. Також постійне удосконалення та ускладнення технологічних процесів вимагає постійного збільшення кількості двигунів, залучених для цих процесів. Тому правильний захист електричних двигунів стає дедалі актуальнішим з огляду на те, що він має не тільки забезпечити адекватний захист самого двигуна, але й зберегти надійну і безвідмовну роботу виробничих процесів в цілому, оскільки вихід з ладу одного двигуна виробничої лінії може призвести до зупинки всього виробництва або критично важливих його підрозділів. Крім цього в рамках ініціатив підвищення енергоефективності (ErP директива ЕС) змінюються параметри двигунів, що своєю чергою вимагає змін в конструкції захисних пристроїв.
Основними аваріями для електричних двигунів вважаються струмові перевантаження, короткі замикання, перегріви, зниження напруги та пошкодження ізоляції. Деякі з цих аварій, зокрема струмові перевантаження, можуть бути наслідком інших аварій, наприклад, пошкодження механізмів, що призводить до заклинювання ротора двигуна або неповнофазний режим роботи. Теплові перегріви можуть викликатися частими пусками, що зумовлено ефектом накопичування тепла від пускових струмів при недостатніх паузах між пусками для охолодження, або затяжними чи важкими пусками, коли високий пусковий струм діє тривалий час на обмотки двигуна. Для захисту від всіх цих аварій можуть застосовуватись різні захисні пристрої або комбінації захисних систем, наприклад такі як: теплові реле перевантаження в комбінації з запобіжниками класу aM або з автоматичними вимикачами з електромагнітним розчіплювачем; термісторний захист; автоматичні вимикачі захисту двигунів з термомагнітним або електронним розчіплювачем; електронні захисні реле (окремі захисні пристрої або елементи, вбудовані в інші прилади, такі як перетворювачі частоти чи пристрої плавного пуску). Кожен з них має свої переваги та особливості. Ми детально розглянемо захист електричних двигунів за допомогою корпусних автоматичних вимикачів захисту двигунів NZM.
Вимикачі в литому корпусі серії NZM для захисту двигунів доступні з номінальними струмами від 20 до 1400 А та можуть бути оснащені термомагнітними або електронними розчіплювачами. Вони розроблялись відповідно до стандарту IEC/EN 60947-4-1, а також супутнім вимогам щодо чутливості до обриву фази. З впровадженням нового сімейства електронних розчіплювачів PXR для захисту двигунів (серії MX та PMX) ці автоматичні вимикачі також можуть забезпечити нові додаткові функції, зокрема додатковий моніторинг, діагностику, передачу даних та можливість програмування аварійних сигналів чи управління приєднаним контактором в пусковій збірці.
Основними особливостями автоматичних вмикачів захисту двигуна, завдяки яким вони відрізняються від стандартних автоматичних вимикачів, можна назвати підвищений діапазон регулювання струмової відсічки для запобігання спрацюванню від пускових струмів, захист від неповнофазного режиму роботи, температурну компенсацію розчіплювача, прискорений захист від заклинювання ротора та можливість налаштування класу захисту (для електронних розчіплювачів).
Захист від постійного теплового перевантаження
Такий захист забезпечується, як правило, тепловим розчіплювачем. Стандарт передбачає наступні критерії захисту:
- При температурі 20 °С з холодного стану при перевантаженні 5% розчіплювач не повинен спрацювати протягом 2 годин
- При перевантаженні 20% розчіполювач має спрацювати не пізніше 2 годин.
Швидкість спрацювання з перевантаження визначає клас захисту. Найбільш вживаним для вимикачів захисту двигуна та теплових реле є клас 10, 10А для стандартних умов пуску. У вимикачах з електронним розчіплювачем він може регулюватись від 2 до 20, що дає можливість відлаштуватись від небажаних спрацюваннях при тяжких пусках. Також всі вимикачі захисту двигунів з серії NZM навіть з термомагнітним розчіплювачем мають вбудовану термічну компенсацію навколишньої температури в діапазоні до +40 °С.
Захист від коротких замикань
Такий захист забезпечується електромагнітним розчіплювачем. В зав’язку з впровадженням вимог щодо підвищення енергоефективності (ErP директива) сучасні електричні двигуни з к.з. ротором випускаються відповідно до класів ефективності IE3 та IE4. Однією з побічних особливостей цих двигунів є збільшений пусковий струм. Для запобігання помилковим спрацюванням при пуску і сумісності з новими класами IE3/IE4 максимальна уставка миттєвого розчіплювача Ii збільшена до 18 х In. На малюнку нижче приведена осцилограма струму при пуску двигуна 5,5 кВт класу IE3 з 80% навантаженням. Пусковий струм (скз) становить 97 А при номінальному робочому струмі (скз) 10,3 А.
Захист від заклинювання ротора
Цей захист найбільш точно реалізовується в автоматичних вимикачах типів MX та PMX. Це відображається на характерній сходинці струмо-часової характеристики, яка дозволяє пропустити перший короткочасний пік зрушення ротора, а потім зменшується до нормальних пускових струмів. Якщо під час пуску струм перевищить задане значення, автоматичний вимикач спрацює. Спрацювання відбувається швидше, ніж спрацювання з перевантаження звичайного автоматичного вимикача.
Застосування електронних розчіплювачів дозволяє реалізувати додаткові корисні функції сигналізації, діагностики, розширеного захисту та керування. Всі нові електронні розчіплювачі серії PXR обладнані USB роз’ємом для простого підключення до ПК, де за допомогою безоплатного ПЗ PowerXpert Protection Manager можна зчитати діагностичні дані, подивитися струми через вимикач та здійснити додаткові налаштування, які не виведені на регулятори передньої панелі. Зокрема є можливість, наприклад, налаштувати чутливість спрацювання по небалансу фаз, активувати термічну пам’ять, порядок чергування фаз чи налаштувати функції додаткового релейного модуля, який може використовуватись, наприклад, як вихід попередження при перевантаженні для відключення контактора при незначних перевантаженнях. Розширена візуальна сигналізація за допомогою декількох світлодіодів дозволяє легко визначити причину спрацювання або побачити попередження перед спрацюванням.
Додаткові функції, доступні для вимикачів з електронними розчіплювачами PMX включають можливість вимірювання потужності з класом точності 1, можливість організації комунікації через промислові мережі, наприклад, Modbus-RTU або Profibus, можливість налаштувань додаткових захистів, пов’язаних з потужністю чи напругою (наприклад захист від зниження напруги) та зазвичай мають можливість більш точного налаштування уставок з використанням ПЗ. На малюнку нижче наведено приклад екрана з ПЗ PowerXpert Protection Manager з додатковими захисними функціями.
Додаткова інформація, яку слід брати до уваги при виборі автоматичних вимикачів, стосується координації захисту з контактором. Стандарт IEC/EN 60947-4-1 визначає два кваліфікаційні типи координації – 1 і 2. Тип координації 1 згідно з визначенням при відключенні струмів к.з. автоматичним вимикачем не гарантує цілісність нижче встановленого контактора. І навпаки, при виборі комбінації вимикач-контактор за типом координації 2 після відключення к.з. не відбувається зварювання або підгоряння контактів контактора, тобто вимикач обмежує енергію к.з. до безпечних рівнів контактора і контактор може бути ввімкнутий знову одразу. Рекомендовані комбінації вимикач-контактор для типу координації 2 можна знайти в «Посібнику по селективності резервному захисту і координації» за посиланням www.eaton.com/SelectivityGuide.
Коментар автора
Правильний вибір автоматичних вимикачів забезпечить надійний захист двигунів і, як наслідок, захист капіталовкладень, критичних технологічних процесів та вашого бізнесу в цілому, тому до цього процесу треба відноситись серйозно і відповідально. Навіть найкращі захисні апарати при неправильному виборі не забезпечать необхідний захист або можуть спричинити хибні спрацювання та небажані зупинки виробничих процесів. Найкраща стратегія в нашому випадку – це захист.
Також я ще раз хочу звернути увагу на важливості виконання перевірок умов захисту двигуна та перерізів кабелів підключення. Також зауважте, що всі автоматичні вимикачі згідно з вимогами безпеки поставляються з виробництва з уставками, налаштованими на мінімум, і остаточне налаштування має бути виконане або виробником щитів, або службою експлуатації перед введенням в експлуатацію системи керування, так само як базова перевірка функціонування (Test to Trip).
Більше інформації за посиланням.
Андрій Олійник – керівник напрямку систем розподілу енергії компанії Eaton
