Как-то прочитал на Дзене статью, в которой автор давал совет своему читателю о том как защитить с помощью трех пускателей (реле) с катушками на 220 В трехфазный электродвигатель при потере одной из фаз. Он привел следующую схему и объяснил как это работает.
У меня появились вопросы, я написал, автор ответил. Завязалась небольшая переписка.
Как такое возможно? Сначала рассмотрим работу трехфазного асинхронного электродвигателя со схемой соединения обмоток звездой, управляемого магнитным пускателем КМ1 с катушкой на 220 В, в нормальном режиме (три фазы L1, L2, L3; линейное напряжение 380 В).
Обмотки статора трехфазного электродвигателя сдвинуты в пространстве относительно друг друга на 120 градусов. Изменяющиеся по времени токи в обмотках статора, также сдвинуты относительно друг друга по фазе, а следовательно максимальные значения в обмотках они будут иметь неодновременно. Пусть в какой-то момент времени ток в обмотке С1 имеет максимальное значение, затем максимум наступит в обмотке С2, потом перейдет в С3. Максимум перемещается от С1 к С2, от С2 к С3, от С3 к С1. Токи, протекающие в обмотках статора, образуют общее переменное магнитное поле, которое перемещается по окружности статора электродвигателя. Таким образом, неподвижные обмотки, обтекаемые трехфазным током, создают вращающееся магнитное поле.
Вращающееся поле наводит в роторе двигателя электродвижущую силу, которая создаёт ток в роторе. Этот ток, образует своё магнитное поле, которое начинает взаимодействовать с магнитным полем статора таким образом, что ротор увлекается вслед за вращающимся полем. Если хотя бы один из токов трехфазной системы будет отличаться по величине, либо по фазе, то поле будет вращаться с той же скоростью, но будет уже не круговым. а в виде эллипса.
Если поменять местами две любые фазы, например L2 и L3, то поле изменит направление своего вращения, а следовательно изменится и направление вращения ротора электродвигателя.
Работа трехфазного асинхронного двигателя при потере фазы сопровождается повышением тока в двух оставшихся обмотках статора. Это может привести к перегреву изоляции и выходу электродвигателя из строя. Потеря фазы чаще всего вызвана обрывом провода, нарушением контакта в фазе, сгоранием одного из предохранителей. При этом возможны два варианта: 1) фаза потеряна до включения электродвигателя в сеть; 2)потеря фазы произошла после включения двигателя в сеть.
Рассмотрим первый вариант: фаза потеряна до включения электродвигателя в сеть, ротор электродвигателя неподвижен.
Если пропала фаза L3 (рис.2), то магнитный пускатель КМ1 не включится. При потере фазы L1 (или L2) пускатель КМ1 можно включить кнопкой S3. По двум последовательно соединенным обмоткам С2 и
С3 (или С1 и С3) электродвигателя будет протекать один и тот же ток. Этот ток образует магнитное поле, которое является пульсирующим. Оно изменяется по времени, но не будет перемещаться по окружности статора. Такое поле не может создать сил, способных вывести ротор из неподвижного состояния, и электродвигатель даже при отсутствии нагрузки не сможет развернуться. Если же толкнуть ротор, то он начнёт вращаться.
Чтобы асинхронный электродвигатель смог самостоятельно начать разбег, необходимо подключить конденсатор, благодаря чему токи в обмотках будут сдвинуты относительно друг друга по фазе. Максимум магнитного поля в обмотках наступит неодновременно и в двигателе образуется вращающееся эллиптическое поле. Именно этот принцип используется в схемах, когда необходимо подключить трехфазный асинхронный двигатель к однофазной сети.
Потребляемый электродвигателем ток I, в этом варианте потери фазы, будет немногим меньше, чем пусковой ток при трёхфазном режиме Iпт, что весьма опасно для обмоток. Приближённо I = 0,87 Iпт. Iпт = n Iн. Сомножитель n показывает во сколько раз пусковой ток электродвигателя превосходит его номинальный ток Iн. Значение n можно найти в справочной литературе, обычно находится в пределах от 5 до 7.
I = 0,87 n Iн.
I = 0,87 (5-7) Iн = (4 - 6) Iн.
Второй вариант: фаза потеряна после включения электродвигателя в сеть, когда ротор будет иметь скорость вращения, соответствующую рабочему режиму.
В этом случае вращающий момент достаточен для продолжения работы электродвигателя. Двигатель будет продолжать работу, но при этом несколько снижается скорость вращения ротора и появляется характерное гудение. Потребляемый из сети ток I будет зависеть от нагрузки двигателя: I = 2 k Iн, где Iн - номинальный ток двигателя; k - коэффициент загрузки двигателя.
Если двигатель загружен на 50 %, (k = 0,5), то ток в обмотках двигателя будет равен номинальному и потеря фазы не приведёт к перегреву изоляции, а вот при номинальной нагрузке (k= 1) он равен двойному номинальному току. Потеря фазы при полной нагрузке может привести к остановке двигателя (к "опрокидыванию"). По обмоткам заторможенного двигателя будет проходить ток равный примерно 87% пускового тока трехфазного режима (как в первом варианте). Это самый тяжёлый режим для электродвигателя. В отличии от первого варианта, когда обмотки двигателя находятся в холодном состоянии, в этом случае обмотки уже были нагреты практически до предела и их температура за короткое время поднимается до критических значений.
По техническим требованиям пускатели должны чётко включаться при подаче на втягивающие катушки переменного напряжения, равного 85% от номинального напряжения Uн, а отпадание должно происходить при понижении напряжения до 0,3 - 0,5 Uн. При потере фазы L3 (рис.2), вращающийся ротор наводит эдс в отключённой обмотке С3, величина которой будет зависеть от скорости его вращения (генераторный режим). В режиме холостого хода электродвигателя (без нагрузки), когда скорость вращения максимальна, напряжение Uсз-о будет близко по значению к фазному напряжению. С увеличением нагрузки на валу электродвигателя уменьшается скорость вращения ротора и резко уменьшается напряжение Uсз-о в обмотке С3.
Но и этого значения напряжения может быть достаточно для удержания магнитного пускателя КМ1 с катушкой на 220 В, через свои замкнутые контакты 5-6, в рабочем состоянии. Пускатели с напряжением катушки 380 В, как правило, отпадают, хотя и тут многое зависит от степени загрузки электродвигателя. А так как на практике электродвигатели редко имеют номинальную нагрузку, большую часть времени они работают с недогрузкой, то защита трехфазного асинхронного электродвигателя от потери фазы с помощью пускателей (реле), не может считаться надёжной.
Такие схемы не позволят включить электродвигатель в сеть при потере фазы, если же аварийный режим наступил после включения, то защита часто не оправдывает возлагаемых на неё надежд. Но подкупает дешевизна и простота выполнения такой защиты.
Если всё же применять схему защиты трехфазного асинхронного электродвигателя от потери фазы с помощью пускателей, то необходимо использовать пускатели с катушками на 380 В (рис.5) и при условии что двигатель будет иметь нагрузку близкую к номинальной.
Если фаза А пропала, когда электродвигатель был в работе, то пускатель КМ1 будет оставаться включенным. Катушка реле К1 будет получать питание от фазы С и через обмотку U1 двигателя (рис. 6). Значение наведённой в этой обмотке ЕДС будет зависеть от того насколько загружен электродвигатель.
Ситуация при потере фазы В отражена на рис. 7, а фазы С - на рис. 8.
Правильно подобранное и отстроенное тепловое реле F1 само способно обеспечить надёжную защиту электродвигателя при потере одной из фаз в первом варианте, когда ток 4 - 6 раз превышает номинальный и во втором варианте, при условии что двигатель будет иметь большой коэффициент загрузки k. При значениях коэффициента загрузки чуть больше 0,5 и до 0,6, превышение тока по сравнению с номинальным, будет небольшим (до 20%) и как раз в этой области перегрузок тепловая защита действует недостаточно чётко. Защитные характеристики теплового реле имеют зону разброса времени срабатывания. Наибольший интервал по времени срабатывания, как для холодного состояния биметаллической пластины реле, так и для состояния пластины прогретой рабочим током, будет именно при токах перегрузки до 1,2Iн.
При кратности тока 1,2 реле с холодными пластинами сработает в интервале времени от 200 до 700 секунд, с прогретыми от 25 - 200 секунд. Чтобы обеспечить удовлетворительную работу тепловых реле проводят их прогрузку, пропуская через пластины ток пониженного напряжения и определяют время срабатывания. Тепловые реле с биметаллическими элементами с течением времени изменяют свои характеристики, поэтому их необходимо периодически проверять и настраивать (прогрузка). Настройка реле нужна так же после замены нагревательных элементов.
Тепловые реле предназначены для защиты электродвигателей от перегрузок, сами же они нуждаются в защите от токов короткого замыкания. После прохождения токов короткого замыкания через реле, пластины повреждаются, либо сильно изменяют свои характеристики. Тепловые реле будут устойчивы к токам короткого замыкания, если уставка электромагнитного расцепителя автоматического выключателя не более чем в 18 раз превышает ток уставки реле.
Для исключения влияния температуры окружающей среды необходимо выбирать тепловое реле с температурной компенсацией.
При правильном подборе, регулировке, грамотной эксплуатации, тепловое реле достаточно надёжно выполняет свои функции. В настоящее время разработаны защитные устройства с более совершенными техническими характеристиками, чем у теплового реле. Тем не менее, благодаря тому что тепловые реле значительно проще и дешевле, они всё ещё широко применяются в электроустановках. Считаю что применение теплового реле может быть оправдано, если электроустановка работает на не ответственном участке и находится под наблюдением обслуживающего персонала. В электроустановках, требующих повышенной надёжности, аварии которых сопровождаются большим ущербом, работающих в напряженных режимах, надо внедрять новые разработки точнее контролирующие параметры электродвигателей во время работы и обладающие бОльшим быстродействие в случае возникновения аварийных ситуаций.
В качестве примера одно из многих: электронное реле перегрузки Siemens 3RB20. Предназначено для защиты электродвигателей с нормальным и тяжелым пуском, до 630 А. Разработано для предотвращения перегрева изоляции обмоток из-за перегрузки, обрыва линейного провода и несимметричной нагрузки по фазам.