Термична защита на мотора
За разбиране на термална защита от прекомерно зареждане в индукционния мотор можем да обсъдим принципа на действие на трифазния индукционен мотор. Има един цилиндричен статор и трите фази са симетрично разпределени по вътрешната периферия на статора. При такова симетрично разпределение, когато се приложи трифазно напрежение към обмотката на статора, се генерира вращащо се магнитно поле. Това поле се върти с синхронна скорост. Роторът в индукционния мотор е създаден предимно от твърди медни пръчки, които са свързани на двете си края по такъв начин, че формират цилиндрична клетка. Затова този мотор се нарича и индукционен мотор с „екидна клетка“. Въпреки това, нека се върнем към основната точка за трифазния индукционен мотор - която ще ни помогне да разберем ясно термална защита от прекомерно зареждане.
Когато въртящото се магнитно поле пресича всяка от медните пръчки на ротора, се индуцира циркулиращ ток, който протича през пръчките. При стартиране роторът е неподвижен, а полето на статора се върти с синхронна скорост, относителното движение между въртящото се поле и ротора е максимално. Следователно, скоростта на пресичане на потока с роторните пръчки е максимална, индуцираният ток е максимален при това състояние. Но понеже причината за индуцирания ток е това относително движение, роторът ще се опита да намали това относително движение и следователно ще започне да се върти в посоката на въртящото се магнитно поле, за да достигне синхронната скорост. Щом роторът достигне синхронната скорост, това относително движение между ротора и въртящото се магнитно поле става нула, следователно няма да има повече пресичане на потока и съответно няма да има индуциран ток в роторните пръчки. Като индуцираният ток стане нула, няма да има повече нужда да се поддържа нулево относително движение между ротора и въртящото се магнитно поле, затова скоростта на ротора пада.
Щом скоростта на ротора падне, относителното движение между ротора и въртящото се магнитно поле отново приема ненулева стойност, което отново причинява индуциран ток в роторните пръчки, следователно роторът отново ще се опита да достигне синхронната скорост и това ще продължи докато моторът е включен. Благодарение на това явление, роторът никога няма да достигне синхронната скорост, както и никога няма да спре да работи при нормална експлоатация. Разликата между синхронната скорост и скоростта на ротора в отношение на синхронната скорост, се нарича просмукване на индукционния мотор.
Просмукването в нормално работещ индукционен мотор обикновено варира от 1% до 3% в зависимост от натовареността на мотора. Сега ще се опитаме да изобразим характеристики на скорост-ток на индукционния мотор - нека вземем пример с голям вентилатор за котел.
В характеристиката Y осът е избран като време в секунди, X осът е избран като % от тока на статора. Когато роторът е неподвижен, тоест при начално състояние, просмукването е максимално, следователно индуцираният ток в ротора е максимален и поради трансформаторното действие, статорът ще извлече значителен ток от постоянното напрежение, който би бил около 600% от номиналния ток на пълната натовареност. Като роторът се ускорява, просмукването намалява, следователно токът на ротора, а след това и токът на статора, падат до около 500% от номиналния ток на пълната натовареност в рамките на 12 секунди, когато скоростта на ротора достигне 80% от синхронната скорост. След това токът на статора бързо пада до номиналната стойност, когато роторът достигне нормалната си скорост.
Сега ще обсъдим термално прекомерно зареждане на електрическия мотор или проблема с прекомерно загряване на електрическия мотор и необходимостта от термална защита от прекомерно зареждане.
Всеки път, когато помислим за прекомерното загряване на мотор, първото, което ни хрумва, е прекомерно зареждане. Поради механичното прекомерно зареждане, моторът извлича по-висок ток от постоянното напрежение, което води до прекомерно загряване на мотора. Моторът може да бъде прекомерно загрян и ако роторът е механично блокиран, тоест стане неподвижен от някаква външна механична сила. В тази ситуация моторът ще извлече прекомерно висок ток от постоянното напрежение, което води до термално прекомерно зареждане на електрическия мотор или проблем с прекомерно загряване. Друга причина за прекомерното загряване е ниско напрежение. Тъй като мощността, извличана от мотора от постоянното напрежение, зависи от натовареността на мотора, при ниско напрежение, моторът ще извлича по-висок ток от мрежата, за да поддържа необходимия момент. Еднофазно състояние също причинява термално прекомерно зареждане на мотора. Когато една фаза от постоянното напрежение е изключена, останалите две фази извличат по-висок ток, за да поддържат необходимия момент, и това води до прекомерно загряване на мотора. Небаланс между трите фази на постоянното напрежение също причинява прекомерно загряване на обмотката на мотора, тъй като небалансирана система води до негативна последователност на тока в обмотката на статора. Отново, внезапната загуба и възстановяване на напрежението на мрежата може да причини прекомерно загряване на мотора. Тъй като внезапната загуба на напрежението на мрежата, моторът забавя, а при внезапното възстановяване на напрежението, моторът се ускорява, за да достигне номиналната си скорост, и затова моторът извлича по-висок ток от мрежата.
Тъй като термалното прекомерно зареждане или прекомерното загряване на мотора може да доведе до провал на изолацията и повреда на обмотката, за правилна термална защита от прекомерно зареждане, моторът трябва да бъде защитен срещу следните условия
Механично прекомерно зареждане,
Засукване на вал на мотора,
Ниско напрежение,
Еднофазно състояние на мрежата,
Небаланс на мрежата,
Внезапна загуба и възстановяване на напрежението на мрежата.
Основната схема за защита на мотора е термална защита от прекомерно зареждане, която покрива защитата на всички по-горе споменати условия. За да разберем основния принцип на термалната защита, нека разгледаме схематичната диаграма на основната схема за управление на мотора.
На фигурата по-горе, когато бутонът „START“ е затворен, обмотката на стартера се активира чрез трансформатора. Като обмотката на стартера е активирана, нормално отворените (NO) контакти 5 се затварят, следователно моторът получава напрежение на своите клеми и започва да се върти. Тази обмотка за стартиране също затваря контакт 4, който държи обмотката на стартера активирана, дори и бутонът „START“ да е отворен. За да спре мотора, има няколко нормално затворени (NC) контакта в ред с обмотката на стартера, както е показано на фигурата. Един от тях е контактът на бутона „STOP“. Ако бутонът „STOP“ е натиснат, този контакт се отваря и прекъсва непрекъснатостта на цепта на обмотката на стартера, следователно обмотката на стартера се деактивира. Следователно, контактите 5 и 4 се връщат в своето нормално отворено положение. Тогава, в отсъствие на напрежение на клемите на мотора, той ще спре да работи. По същия начин, ако другите NC контакти (1, 2 и 3), свързани в ред с обмотката на стартера, се отворят, те също ще спрат мотора. Тези NC контакти са електрически свързани с различни защитни реле, за да спрат операцията на мотора при различни аномални условия.
Да разгледаме реле за термално прекомерно зареждане и неговата функция в термалната защита от прекомерно зареждане на мотора.
Вторичната обмотка на ТТ, свързана с цепта на мотора, е свързана с двуметална лента на реле за термално прекомерно зареждане (49). Както е показано на фигурата по-долу, когато токът през вторичната обмотка на ТТ превишава предварително зададените стойности за предварително зададено време, двуметалната лента се нагрява и деформира, което в крайна сметка причинява да се активира реле 49. Щом реле 49 се активира, NC контактите 1 и 2 се отварят, което деактивира обмотката на стартера и следователно спира мотора.
Още нещо, което трябва да запомним при предоставянето на термална защита от прекомерно зареждане. Всъщност всеки мотор има предварително зададена допустима стойност за прекомерно зареждане. Това означава, че всеки мотор може да работи над номиналната си натовареност за конкретен допустим период, в зависимост от неговата натовареност. Колко дълго моторът може да работи безопасно при конкретна натовареност, е указана от производителя. Връзката между различните натоварвания на мотора и съответните допустими периоди за работа в безопасно състояние се нарича термална граница на мотора. Да разгледаме кривата на конкретен мотор, показана по-долу.
Тук Y осът или вертикалната ос представлява допустимото време в секунди, а X осът или хоризонталната ос представлява процент от прекомерното зареждане. От кривата е ясно, че моторът може да работи безопасно без повреди от прекомерно загряване за продължителен период при 100% от номиналната натовареност. Може да работи безопасно 1000 секунди при 200% от нормалната номинална натовареност. Може да работи безопасно 100 секунди при 300% от нормалната номинална натовареност. Може да работи безопасно 15 секунди при 600% от нормалната номинална натовареност. Верхната част на кривата представлява нормалното работно състояние на ротора, а най-долната част представлява механично блокираното състояние на ротора.
Сега кривата на време-ток за избраното реле за термално прекомерно зареждане трябва да е под термалната граница на мотора за удовлетворителна и безопасна работа. Нека обсъдим повече детайли-
Запомнете характеристиките на началния ток на мотора - при стартиране на индукционния мотор, токът на статора надхвърля 600% от нормалния номинален ток, но той остава до 10 до 12 секунди, след което токът на статора изведнъж пада до нормалната номинална стойност. Така че, ако реле за термално прекомерно зареждане се активира преди тези 10 до 12 секунди за ток 600% от нормалния номинален, моторът няма да може да се стартира. Следователно, може да се заключи, че кривата на време-ток за избраното реле за термално прекомерно зареждане трябва да е под термалната граница на мотора, но над характеристиките на началния ток на мотора. Вероятното местоположение на характеристиките на термалното реле е ограничено от тези две казани криви, както е показано на графика с подчертаната област.
Още нещо, което трябва да се запомни при избора на реле за термално прекомерно зареждане. Това реле не е мигновено реле. То има минимално забавяне в действието, тъй като двуметалната лента изисква минимално време, за да се нагреи и деформира за максималната стойност на оперативния ток. От графика се установява, че термалното реле ще се активира след 25 до 30 секунди, ако роторът е изведнъж механично блокиран или моторът не успее да се стартира. В тази ситуация моторът ще извлича огромен ток от мрежата. Ако моторът не бъде изолиран по-скоро, може да се случи сериозна повреда.
Този проблем се преодолява чрез предоставяне на реле за временен ток с високо събиране. Характеристиките на тези реле за ток са избрани така, че при по-ниска стойност на прекомерно зареждане, реле няма да се активира, тъй като реле за термално прекомерно зареждане ще се активира преди него. Но при по-висока стойност на прекомерно зареждане и при блокиране на ротора, реле за временен ток ще се активира вместо термалното реле, тъй като първото ще се активира много преди второто.
Следователно, както двуметалното реле за прекомерно зареждане, така и реле за временен ток са предоставени за пълна термална защита от прекомерно зареждане на мотора.
Има една главна недостатъчност на двуметалното реле за термално прекомерно зареждане, тъй като скоростта на нагреване и охлаждане на двуметалната лента е засегната от температурата на околната среда, производителността на реле може да се различава при различни температури на околната среда. Този проблем може да се преодолее чрез използване на RTD или детектор за температура със съпротивление. По-големите и по-сложни мотори са защитени по-точно от термално прекомерно зареждане чрез използване на RTD. В слотовете на статора, RTD са поставени заедно с обмотката на статора. Съпротивлението на RTD се променя с промяната на температурата, и тази променена съпротивителна стойност се улавя от мостовата схема на Уитстоун.
Тази схема за термална защита от прекомерно зареждане на мотора е много проста. RTD на статора се използва като една ръка на балансиран мост на Уитстоун. Количеството ток, протичащ през реле 49, зависи от степента на дисбаланс на моста. Когато темпер
