Асинхронные электродвигатели трехфазного переменного тока являются наиболее распространенным видом электродвигателей, применяемых в электроприводах самых различных отраслей народного хозяйства.

Надежная и бесперебойная работа электродвигателей в первую очередь зависит от надлежащего их выбора по мощности, режиму работы, а также не меньшее значение имеет соблюдение требований и правил составления электрической схемы, выбора пускорегулирующей аппаратуры, кабеля и т.д. Однако всегда остается вероятность появления аварийных или ненормальных режимов для электродвигателя и другого электрооборудования.

К этим режимам относятся:
• Короткие замыкания: в обмотках электродвигателя; в выводной коробке электродвигателя и во внешней силовой цепи; фазы на корпус или нулевой провод внутри электродвигателя или во внешних цепях; цепи управления.
  Короткие замыкания являются наиболее опасными аварийными режимами в электроустановках, так как токи КЗ иногда достигают величин, в десятки и сотни раз превосходящих значения нормального режима, а их тепловое воздействие и динамическое усилие подвергающее токоведущие части может привести к повреждению всей электроустановки.
• Тепловые перегрузки электродвигателя, вызывающие в первую очередь ускоренное старение и разрушение изоляции электродвигателя, что приводит к коротким замыканиям. Возникают при перегрузках рабочего механизма, тяжелых условиях пуска электродвигателя под нагрузкой, механические повреждение в электродвигателе или рабочем механизме, застопоривание ротора, длительное понижение напряжения питающей сети, обрыв одной из фаз внешней силовой цепи или провода в обмотке электродвигателя, а также ухудшение условий охлаждения.

В зависимости от характера возможных повреждений и ненормальных режимов работы различают несколько основных видов электрической защиты асинхронных электродвигателей:

• Защита от коротких замыканий. Защищают электродвигатель при появлении в его силовой цепи или цепях управления токов КЗ, отключая его практически мгновенно, то есть без выдержки времени.
  Аппараты защиты: плавкие предохранители, электромагнитные реле, автоматические выключатели с электромагнитным расцепителем.
  
  
• Защита от перегрузки. Защищает электродвигатель от недопустимого перегрева, отключая его от сети с определенной выдержкой времени (тем большей, чем меньше перегрузка).
  Аппараты защиты: тепловые и температурные реле, электромагнитные реле, автоматические выключатели с тепловым расцепителем.
  
  
• Защита от понижения или исчезновения напряжения. Отключения электродвигателя при перерыве питания или снижения напряжения сети ниже установленного значения и предохраняет электродвигатель от самопроизвольного включения после ликвидации перерыва питания и восстановления нормального напряжения сети. Выполняется с помощью одного или нескольких электромагнитных аппаратов.
  
  
• Защита от работы на двух фазах. Предохраняет электродвигатель от перегрева, а также «опрокидывания», т.е. остановки под током вследствие снижения момента, развиваемого электродвигателем при обрыве одной из фаз главной цепи.
  Аппараты защиты: как тепловые, так и электромагнитные реле.
  
  
• Другие виды защиты: от повышения напряжения, однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью, увеличение скорости вращения привода и т.д.

ЗАЩИТА ОТ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ

Защита плавкими предохранителями.
Это самый простой и дешевый способ защиты от коротких замыканий, получивший широкое применение, особенно в приводах с короткозамкнутыми асинхронными электродвигателями мощностью до 100 кВт. Основной недостаток - возможность неполнофазных отключений.

На рис.1 показана схема включения плавких предохранителей для защиты главной цепи электродвигателя. Предохранители FU устанавливаются после рубильника SA во всех трех фазах (это необходимо для отключения обеих поврежденных фаз при двухфазных коротких замыканиях, а в сетях с заземленной нейтралью, кроме того, для отключения любой фазы при ее замыкании на землю) перед контактами пускателя или линейного контактора. Эти же предохранители в ряде случаев используются и для защиты от К.З. цепей управления, в которой включены катушки аппаратов, кнопки и т. п.

Номинальные данные и характеристики предохранителей

Номинальное напряжение предохранителя - это наибольшее номинальное напряжение цепей, в которых разрешается установка данного предохранителя.

Номинальный ток плавкой вставки - наибольший ток, который вставка выдерживает неограниченно долгое время.

Номинальный ток предохранителя - длительный ток, на который рассчитан предохранитель.

Предельно отключаемый ток предохранителя - наибольший расплавляющий ток, при котором еще обеспечивается гашение дуги без каких-либо повреждений патрона предохранителя.

Плавкая вставка перегорает тем быстрее, чем больший ток проходит через нее. Зависимость времени плавления вставки t от величины тока называется защитной характеристикой плавкой вставки.

Предохранитель имеет невысокую "точность" работы. При одном и том же расплавляющем токе время плавления вставки зависит от многих причин: материала, сечения и длины вставки, состояния поверхности вставки и условия ее охлаждения, температура окружающего воздуха и т. п. Кроме того, с течением времени защитные свойства плавкой вставки неминуемо ухудшаются из-за ее старения.

Защита электромагнитными максимальными токовыми реле.
Электромагнитные максимальные токовые реле мгновенного действия (максимальные реле) применяются как аппараты защиты от КЗ для короткозамкнутых электродвигателей мощностью более 100 кВт, а также для большинства электродвигателей с фазным ротором. Максимальные реле служат чувствительным органом, а размыкание цепи производится контакторами, которые, следовательно, должны иметь необходимую отключающую способность.

Этот вид защиты имеет преимущество перед плавкими предохранителями, так как обладает многократностью действия, обеспечивает отключение всех трех фаз главной цепи одновременно, позволяет осуществить четкую отстройку защиты от пусковых и тормозных токов электродвигателя без снижения быстродействия и надежности срабатывания ее даже при малых кратностях тока КЗ.

Максимальное реле представляет собой электромагнитный механизм с подвижным якорем. Когда через катушку реле протекает ток, превышающий по величине определенное значение (ток срабатывания), якорь реле притягивается и связанный с ним контакт воздействует на отключение электродвигателя, например, размыкая цепь катушки контактора.

На рис.2 приведена схема токовой отсечки без выдержки времени в трехфазном исполнении. Реле тока КА1... КА3 включены в каждую фазу статора. При срабатывании хотя бы одного реле размыкается соответствующий контакт КА1... КА3 в цепи катушки контактора КМ и электродвигатель отключается от сети. При выборе тока срабатывания коэффициент отсечки к_отс = 1,3…1,5, а коэффициент чувствительности k_ч > 2,0 при КЗ на выводах электродвигателя.

ЗАЩИТА ОТ ПЕРЕГРУЗКИ

От перегрузки электродвигатель сохраняет токовая защита, реагирующая на возрастание тока, а также температурная защита. Токовая защита выполняется электромеханическими, полупроводниковыми или электротепловыми реле. Защита электродвигателя от перегрузки должна срабатывать при кратковременных перегрузках, поэтому она имеет выдержку времени и может действовать на отключение, сигнал или разгрузку механизма электродвигателя.

Защиту от перегрузки устанавливают, когда имеет место технологическая перегрузка или необходимо ограничить длительность пуска или самозапуска электродвигателей при пониженном напряжении. Защита от перегрузки, выполняемая с помощью электромагнитных реле, включает в себя реле тока и реле времени (КА4 и КТ на рис.2). Если защита должна отключать электродвигатель при обрыве фазы, то ее выполняют двухфазной. Двухфазной должна быть защита при наличии плавких предохранителей, используемых для защиты электродвигателей от КЗ.

Реле не должно срабатывать в нормальном режиме работы электродвигателя и должно срабатывать при пусках электродвигателя, если пуск затянулся (t_п.з > 3 с).

При длительной перегрузке и затянувшемся пуске электродвигателя реле времени КТ успевает сработать и, размыкая контакт КТ в цепи катушки контактора КМ (см. рис.2), отключить электродвигатель.

Защита от перегрузки, выполняемая с помощью тепловых расцепителей или электротепловых реле автоматических выключателей, получается наиболее эффективной, если I_{расц.ном} = I_д.ном.

На рис.3 показаны электротепловые реле для защиты от перегрузки. Эта защита предотвращает работу электродвигателя на двух фазах, поэтому магнитный пускатель состоит из двух тепловых реле КК. Номинальный ток электротеплового реле определяют по условию:

где I_нг.ном - номинальный ток сменного нагревателя электротеплового реле.

ЗАЩИТА ОТ ПОНИЖЕНИЯ ИЛИ ИСЧЕЗНОВЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ

Асинхронный электродвигатель нельзя оставлять в работе при длительных глубоких снижениях напряжения сети во избежание перегрева, особенно если электродвигатель полностью нагружен.

После отключения по КЗ происходит самозапуск электродвигателей, подключенных к секции или системе шин, на которых во время КЗ имело место снижение напряжения. Токи самозапуска, в несколько раз превышающие номинальные, проходят по питающим линиям (или трансформаторам) собственных нужд. В результате напряжение на шинах собственных нужд, а следовательно, и на электродвигателях понижается настолько, что вращающий момент на валу электродвигателя может оказаться недостаточным для его проворота. Самозапуск электродвигателей может не произойти, если напряжение на шинах окажется ниже 55-65 % Iном.

Для того чтобы обеспечить пуск наиболее ответственных электродвигателей, устанавливается защита минимального напряжения, отключающая неответственные электродвигатели, отсутствие которых в течение некоторого времени не отразится на производственном процессе. При этом уменьшается суммарный ток самозапуска и повышается напряжение на шинах собственных нужд, благодаря чему обеспечивается самозапуск ответственных электродвигателей.

В некоторых случаях при длительном отсутствии напряжения защита минимального напряжения отключает и ответственные электродвигатели. Это необходимо, в частности, для пуска схемы АВР электродвигателей, а также по технологии производства. Так, например, в случае остановки всех дымососов необходимо отключить мельничные и дутьевые вентиляторы и питатели пыли; в случае остановки дутьевых вентиляторов - мельничные вентиляторы и питатели пыли. Отключение ответственных электродвигателей защитой минимального напряжения производится также в тех случаях, когда их самозапуск недопустим по условиям техники безопасности или из-за опасности повреждения приводимых механизмов.

Для этих целей и предусматривается защита от понижения или исчезновения напряжения, называемая обычно нулевой защитой. Аппаратами этой защиты являются контакторы, магнитные пускатели и специально установленные электромагнитные реле напряжения.

При питании главной цепи и цепи управления от одной сети (например, схемы рис.2 и 3) и кнопочном управлении нулевая защита осуществляется контактором или магнитным пускателем КМ. Действительно, при исчезновении напряжения в сети контактор КМ отпадает, а включение его вновь возможно лишь после нажатия кнопки "Пуск" (SB1) при условии, что напряжение сети будет не меньше 0,85Uн.с. Объясняется это тем, что контакторы переменного тока и магнитные пускатели имеют напряжение надежного срабатывания не менее 0,85Uн.с. Напряжение возврата у них обычно не превышает (0,4-0,5)Uн.с.

В схемах управления с командоконтроллером (обычно для электродвигателей с фазным ротором) нулевая защита выполняется с помощью реле РН (рис.4). В исходном положении рукоятки командоконтроллера КК катушка реле РН обтекается током и контакт РН замкнут. При переводе командоконтроллера в любое рабочее положение контакт КК размыкается и катушка РН и вся остальная аппаратура получают питание теперь только через контакт РН. Когда напряжение в сети исчезает или резко падает (а также при срабатывании максимальных реле КА), реле РН размыкает свой контакт. Повторное включение электродвигателя возможно лишь после установки командоконтроллера в исходное положение. Тем самым предовращается самозапуск электродвигателя.

Иногда цепь управления питается от сети переменного тока, не зависимой от сети, питающей главную цепь электродвигателя (обычно при напряжении главной цепи 380-500В). В таких схемах нулевая защита главной цепи осуществляется с помощью реле РН1 (рис.4,б), а нулевая защита цеп управления обеспечивается контактором КМ (рис.4,в) или реле РН2 (рис.4,г). На рис.4,г показан вариант включения реле РН2 для сложных схем управления с несколькими командоконтроллерами, пакетными выключателями и другими аппаратами ручного управления. В обеих схемах электродвигатель может быть включен только при наличии напряжения как в главной цепи, так и в цепи управления. Так как при перерыве питания в главной цепи контакты реле РН1 размыкаются, что приводит к отключению контактора КМ (или реле РН2), самозапуск электродвигателя становится невозможным. В схеме 4,г перед запуском электродвигателя нужно предварительно нажать кнопку "Подготовка пуска".

Аналогично выполняется нулевая защита в тех случаях, когда цепь управления питается от сети постоянного тока. Такие схемы применяются для электроприводов повторно-кратковременного режима с большой частотой включений, недопустимой для контакторов с управлением на переменном токе и магнитных пускателей.

ЗАЩИТА ОТ РАБОТЫ НА ДВУХ ФАЗАХ

Работа электродвигателя на двух фазах - явление, встречающееся довольно часто. Однако следует подчеркнуть, что внимание электриков в первую очередь должно быть обращено на не на устройство специальной защиты электродвигателей от двухфазной работы, а на ликвидацию причин, порождающих такие режимы. Прежде всего нужно добиваться улучшения качества ремонта электродвигателей и аппаратуры управления, повышать общую культуру эксплуатации электроустановок.

"Правила устройства электроустановок" допускают применение специальной защиты от работы на двух фазах (от потери фазы) лишь в порядке исключения для электродвигателей, защищенных только плавкими предохранителями, то есть не оборудованными тепловой защитой.

В трехфазной силовой цепи при перегорании одного предохранителя возможна работа на двух фазах (рис.5), что приводит к перегреванию электродвигателей. При нормальной трехфазной работе электродвигателя напряжение на реле напряжения KV равно нулю. При обрыве фазы появляется напряжение на реле KV, которое срабатывает и размыкает свой контакт в цепи питания контактора КМ, что приводит к отключению электродвигателя от сети.

Хорошо отстроенная тепловая защита вполне надежно защищает электродвигатель от потери фазы, если нагрузка на валу не менее 65-70% номинальной и нагревательный элемент выбран по номинальному току электродвигателя. В случае соединения обмоток в звезду при обрыве фазы ток статора возрастет в 1,7-2 раза и будет составлять (1,2-1,4) / Iн электродвигателя, что вполне достаточно для надежного срабатывания реле.

Если электродвигатель работал при нагрузке, меньшей чем 50% номинальной и произошла потеря фазы, то ток не превысит номинального и электродвигатель может продолжать работать. Потеря фазы при полной нагрузке может привести к "опрокидыванию" электродвигателя, то есть его полному торможению. Запуск на двух фазах даже при отсутствии нагрузки невозможен. Как в первом, так и во втором случае по обмоткам заторможенного электродвигателя будет проходить ток, равный примерно 87% пускового тока трехфазного режима. Тепловая защита сработает за 10-15 с и исключит перегрев обмоток.

Применяя правильно отстроенные автоматы и тепловые реле в магнитных пускателях, а также периодически проверяя их контактные системы, можно уменьшить вероятность появления подобных режимов работы электродвигателя и обеспечить надежную защиту.