Тепловая защита двигателя от перегрузки
Для понимания тепловой защиты от перегрузки двигателя в асинхронном двигателе можно обсудить принцип работы трехфазного асинхронного двигателя. Существует цилиндрический статор, и трехфазная обмотка симметрично распределена по внутренней периферии статора. Из-за такого симметричного распределения, когда к статорной обмотке подается трехфазное питание, создается вращающееся магнитное поле. Это поле вращается со скоростью синхронизма. Ротор в асинхронном двигателе в основном состоит из твердых медных палочек, которые замкнуты на обоих концах таким образом, что образуют цилиндрическую клетчатую структуру. Поэтому этот двигатель также называют двигателем с короткозамкнутым ротором. В любом случае, давайте вернемся к основному вопросу трехфазного асинхронного двигателя – который поможет нам четко понять тепловую защиту от перегрузки двигателя.
Поскольку вращающийся магнитный поток пересекает каждую из палочек ротора, возникает индуцированный циркулирующий ток, протекающий через палочки. При запуске ротор неподвижен, а поле статора вращается со скоростью синхронизма, относительное движение между вращающимся полем и ротором максимально. Следовательно, скорость пересечения потока с палочками ротора максимальна, и индуцированный ток при этом условии также максимальный. Но поскольку причиной индуцированного тока является это относительное движение, ротор будет пытаться уменьшить эту относительную скорость и, следовательно, начнет вращаться в направлении вращающегося магнитного поля, чтобы догнать скорость синхронизма. Как только ротор достигнет скорости синхронизма, эта относительная скорость между ротором и вращающимся магнитным полем станет равна нулю, и, следовательно, не будет никакого дальнейшего пересечения потока, и, следовательно, не будет индуцированного тока в палочках ротора. Поскольку индуцированный ток становится равным нулю, нет необходимости поддерживать нулевую относительную скорость между ротором и вращающимся магнитным полем, поэтому скорость ротора падает.
Как только скорость ротора падает, относительная скорость между ротором и вращающимся магнитным полем снова приобретает ненулевое значение, что снова вызывает индуцированный ток в палочках ротора, и ротор снова попытается достичь скорости синхронизма, и это будет продолжаться до тех пор, пока двигатель включен. Из-за этого явления ротор никогда не достигнет скорости синхронизма, а также никогда не остановится во время нормальной работы. Разница между скоростью синхронизма и скоростью ротора в отношении скорости синхронизма называется проскальзыванием асинхронного двигателя.
Проскальзывание в нормально работающем асинхронном двигателе обычно колеблется от 1% до 3% в зависимости от нагрузки на двигатель. Теперь мы попробуем построить характеристики скорости-тока асинхронного двигателя – давайте рассмотрим пример большой вентиляторной установки.
На характеристике ось Y отображает время в секундах, ось X – процент статорного тока. Когда ротор неподвижен, то есть в начальном состоянии, проскальзывание максимально, поэтому индуцированный ток в роторе максимальный, и из-за преобразования статор также будет потреблять значительный ток от источника питания, и он составит около 600% номинального тока статора при полной нагрузке. По мере ускорения ротора проскальзывание уменьшается, следовательно, ток ротора, а затем и статора, падает до около 500% номинального тока при полной нагрузке в течение 12 секунд, когда скорость ротора достигает 80% скорости синхронизма. После этого статорный ток быстро падает до номинального значения, когда ротор достигает своей нормальной скорости.
Теперь мы обсудим тепловую перегрузку электродвигателя или проблему перегрева электродвигателя и необходимость тепловой защиты от перегрузки двигателя.
Когда мы думаем о перегреве двигателя, первое, что приходит на ум, это перегрузка. Из-за механической перегрузки двигатель потребляет больший ток от источника питания, что приводит к чрезмерному перегреву. Двигатель также может сильно перегреться, если ротор механически заблокирован, то есть становится неподвижным из-за внешнего механического воздействия. В этой ситуации двигатель будет потреблять чрезмерно высокий ток от источника питания, что также приводит к тепловой перегрузке двигателя или проблеме чрезмерного перегрева. Еще одной причиной перегрева является низкое напряжение питания. Поскольку мощность, потребляемая двигателем от источника питания, зависит от его нагрузки, при низком напряжении питания двигатель будет потреблять больший ток для поддержания требуемого момента. Однофазное питание также вызывает тепловую перегрузку двигателя. Когда одна фаза источника питания выходит из строя, две оставшиеся фазы потребляют больший ток для поддержания требуемого момента, что приводит к перегреву двигателя. Несбалансированное состояние между тремя фазами источника питания также вызывает перегрев обмоток двигателя, так как несбалансированная система приводит к появлению отрицательной последовательности тока в статорной обмотке. Кроме того, внезапная потеря и восстановление напряжения питания также могут вызвать чрезмерный нагрев двигателя. Поскольку из-за внезапной потери напряжения питания двигатель замедляется, а при внезапном восстановлении напряжения двигатель ускоряется, чтобы достичь своей номинальной скорости, и, следовательно, потребляет больший ток от источника питания.
Так как тепловая перегрузка или перегрев двигателя могут привести к повреждению изоляции и обмоток, для надлежащей тепловой защиты от перегрузки двигателя, двигатель должен быть защищен от следующих условий
Механическая перегрузка,
Заблокированный вал двигателя,
Низкое напряжение питания,
Однофазное питание,
Несбалансированное питание,
Внезапная потеря и восстановление напряжения питания.
Самая базовая схема защиты двигателя – это тепловая защита от перегрузки, которая в основном покрывает защиту от всех вышеупомянутых условий. Чтобы понять основной принцип тепловой защиты от перегрузки, давайте рассмотрим схему базового управления двигателем.
На рисунке выше, когда кнопка ПУСК закрыта, катушка пускателя активируется через трансформатор. Поскольку катушка пускателя активируется, нормально открытые (НО) контакты 5 закрываются, и двигатель получает напряжение питания на своих выводах и начинает вращаться. Эта катушка также закрывает контакт 4, что обеспечивает активацию катушки пускателя даже после того, как контакт кнопки ПУСК отпущен. Для остановки двигателя существует несколько нормально закрытых (НЗ) контактов, соединенных последовательно с катушкой пускателя, как показано на рисунке. Один из них – контакт кнопки СТОП. Если кнопка СТОП нажата, этот контакт открывается, разрывая цепь катушки пускателя, что делает катушку деэнергизованной. Следовательно, контакты 5 и 4 возвращаются в свое нормальное открытое положение. Затем, в отсутствие напряжения на выводах двигателя, он в конечном итоге останавливается. Аналогично, если любой из других НЗ контактов (1, 2 и 3), соединенных последовательно с катушкой пускателя, откроется, это также остановит двигатель. Эти НЗ контакты электрически связаны с различными защитными реле для остановки работы двигателя в различных аварийных условиях.
Давайте посмотрим на тепловое реле перегрузки и его функцию в тепловой защите от перегрузки двигателя.
Вторичные обмотки ТТ, соединенные последовательно с цепью питания двигателя, подключены к биметаллической пластине теплового реле перегрузки (49). Как показано на рисунке ниже, когда ток через вторичную обмотку любого из ТТ превышает заданное значение в течение заданного времени, биметаллическая пластина перегревается и деформируется, что в конечном итоге вызывает срабатывание реле 49. Как только реле 49 сработает, НЗ контакты 1 и 2 открываются, что деэнергизует катушку пускателя и, следовательно, останавливает двигатель.
Еще одно, что нужно помнить при обеспечении тепловой защиты от перегрузки двигателя. На самом деле, каждый двигатель имеет предопределенное значение допустимой перегрузки. Это означает, что каждый двигатель может работать сверх своей номинальной нагрузки в течение определенного допустимого периода, в зависимости от его нагрузки. Как долго двигатель может безопасно работать при определенной нагрузке, указывается производителем. Соотношение между различными нагрузками на двигатель и соответствующими допустимыми периодами его работы в безопасном состоянии называется термической характеристикой двигателя. Давайте посмотрим на кривую одного конкретного двигателя, приведенную ниже.
На оси Y или вертикальной оси отображено допустимое время в секундах, а на оси X или горизонтальной оси – процент перегрузки. Из кривой ясно, что двигатель может безопасно работать без повреждений из-за перегрева в течение длительного времени при 100% номинальной нагрузки. Он может безопасно работать 1000 секунд при 200% номинальной нагрузки. Он может безопасно работать 100 секунд при 300% номинальной нагрузки. Он может безопасно работать 15 секунд при 600% номинальной нагрузки. Верхняя часть кривой представляет собой нормальные условия работы ротора, а нижняя часть – механически заблокированные условия ротора.
Теперь кривая времени срабатывания против рабочего тока выбранного теплового реле перегрузки должна находиться ниже термической характеристики двигателя для удовлетворительной и безопасной работы. Давайте обсудим подробнее:
Помните характеристики пускового тока двигателя – при запуске асинхронного двигателя, ток статора превышает 600% номинального тока, но он остается в течение 10-12 секунд, после чего ток статора резко падает до номинального значения. Поэтому, если тепловое реле перегрузки сработает до 10-12 секунд при токе 600% номинального, двигатель не сможет запуститься. Таким образом, можно сделать вывод, что кривая времени срабатывания против рабочего тока выбранного теплового реле перегрузки должна находиться ниже термической характеристики двигателя, но выше характеристики пускового тока двигателя. Вероятное положение характеристики теплового реле перегрузки ограничено этими двумя кривыми, как показано на графике выделенной областью.
Еще один момент, который следует помнить при выборе теплового реле перегрузки. Это реле не является мгновенным. У него есть минимальная задержка в работе, так как биметаллической пластине требуется минимальное время для нагрева и деформации при максимальном значении рабочего тока. Из графика видно, что тепловое реле сработает через 25-30 секунд, если ротор внезапно механически заблокирован или двигатель не запускается. В этой ситуации двигатель будет потреблять огромный ток от источника питания. Если двигатель не будет отключен быстрее, могут произойти серьезные повреждения.
Эту проблему решают, предоставляя реле перегрузки по времени с большим коэффициентом срабатывания. Характеристики времени-тока этих реле перегрузки выбираются так, что при низком значении перегрузки реле не сработает, так как тепловое реле перегрузки сработает раньше. Но при высоком значении перегрузки и при заблокированном роторе реле перегрузки по времени сработает вместо теплового реле, так как первое сработает значительно раньше второго.
Таким образом, для полной тепловой защиты от перегрузки двигателя используются как биметаллическое реле перегрузки, так и реле перегрузки по времени.
Основным недостатком биметаллического теплового реле перегрузки является то, что скорость нагрева и охлаждения биметалла зависит от температуры окружающей среды, поэтому производительность реле может отличаться при разных температурах. Эту проблему можно решить, используя терморезистор (RTD). Более крупные и сложные двигатели защищаются от тепловой перегрузки более точно с помощью RTD. В пазах статора размещаются RTD вместе с обмоткой статора. Сопротивление RTD изменяется с изменением температуры, и это измененное сопротивление фиксируется с помощью моста Уитстона.
Эта схема тепловой защиты от перегрузки двигателя очень проста. RTD статора используется в качестве одной из сторон сбалансированного моста Уитстона. Сила тока через реле 49 зависит от степени дисбаланса моста. По мере увеличения температуры обмотки статора, электрическое сопротивление детектора увеличивается, что нарушает сбалансированное состояние моста. В результате ток начинает протекать через реле 49, и реле сработает после достижения предопределенного значения этого дисбаланса, в конечном итоге контакты пускателя откроются, чтобы остановить подачу питания на двигатель.
Заявление: Уважайте оригинальные статьи, хорошие статьи стоит делиться, если есть нарушение авторских прав, пожалуйста, свяжитесь для удаления.
