Описание агрегатов
Имея на руках техническое задание для автоматизации асинхронного электропривода необходимо соблюдать следующую последовательность по подбору агрегатов:
- частотный преобразователь (ПЧ) / устройство плавного пуска (УПП)
- силовой контактор
- тепловое реле
- автоматический выключатель (АВ) / автомат пуска двигателя (АПД)
- входной дроссель
- выходной дроссель
- тормозной резистор
Использование всего перечня устройств не является обязательным требованием.
Применение автомата защиты двигателя совместно с частотным преобразователем не целесообразно, описание в статье производится для полноты методов коммутации и защиты.
Назначение
Частотный преобразователь- устройство, для управления скоростью вращения электродвигателя путем изменения частоты и напряжения питающего тока. Он выполняет функции плавного запуска и останова исключая пусковые токи, регулирование скорости в процессе работы, а также защиту электродвигателя от перегрузок и короткого замыкания.
Устройство плавного пуска - устройство, для плавного разгона электродвигателя и снижения пусковых токов избегая резких рывков и бросков тока в 5-7 раз выше номинального при прямом пуске, вызывающие механические удары, износ оборудования и просадки напряжения в сети. Отличием от ПЧ является наличие встроенного шунтирующего контактора включаемый при выходе электродвигателя на номинальные обороты и отключении силовых тиристоров.
Силовой контактор - электромагнитный выключатель, дистанционно управляемый слаботочным сигналом и предназначенный для частых включений и отключений силовой цепи. В схеме управления электродвигателем он выполняет задачу: безопасная подача и снятие питающего напряжения с двигателя по команде от кнопки, реле или контроллера, обеспечивая гальваническую развязку между цепью управления и силовой цепью.
Тепловое реле - защитное устройство, имитирующее тепловую модель электродвигателя. Предназначено для защиты двигателя от перегрузки по току, приводящая к перегреву обмоток и их разрушению. При превышении номинального тока биметаллическая пластина внутри реле размыкает цепь управления силового контактора, тем самым отключая двигатель от сети и предотвращая его выход из строя.
Автоматический выключатель - устройство аварийного отключения, предназначенное для защиты силовой цепи электродвигателя от короткого замыкания и длительных значительных перегрузок. В схеме питания используется для мгновенного отключения при возникновении токов короткого замыкания (электромагнитный расцепитель) или при умеренном, но длительном превышении тока (тепловой расцепитель), предотвращая повреждение кабелей и электрооборудования.
Автоматический выключатель защиты двигателя - аппарат, объединяющий функции обычного автоматического выключателя и теплового реле. Он нужен для комплексной защиты электродвигателя и его цепи как от токов короткого замыкания (мгновенное отключение), так и от перегрузки по току (отключение с выдержкой времени, соответствующей тепловой характеристике двигателя), а также от обрыва фазы, обеспечивая более точную и надежную защиту, чем комбинация отдельного автомата и теплового реле.
Входной дроссель - это катушка индуктивности, устанавливаемая между сетью и частотным преобразователь. Используется для ограничения скорости нарастания бросков тока, защиты преобразователя от импульсных помех и скачков напряжения в сети, а также снижение высших гармоник искажений тока, создаваемых самим преобразователем.
Применение необходимо: работа в условиях нестабильного напряжения; защита преобразователя от импульсных помех и перенапряжений; защита от пусковых токов.
Выходной дроссель - это катушка индуктивности, устанавливаемая между выходом частотного преобразователя и клеммами электродвигателя. Применяется для сглаживания формы выходного напряжения (ШИМ сигнал), ограничив скорость нарастания напряжения и тем самым защитив изоляцию обмоток двигателя от пробоя, а также для снижения токовых пульсаций, высших гармоник и помех.
Применение необходимо: длина кабеля между ПЧ и двигателем больше 50 метров; ПЧ питает несколько электродвигателей; двигатель работает в тяжёлых условиях с частыми пусками и остановками.
Тормозной резистор - это сопротивление, подключаемое к клеммам частотного преобразователя, для рассеивания избыточной энергии, возвращаемой в преобразователь двигателем в режиме торможения. Он нужен для быстрого останова двигателя и инерционной нагрузки, когда кинетическая энергия вращения не может быть поглощена самим преобразователем или возвращена в сеть, предотвращая аварийное отключение преобразователя из-за перегрузки по напряжению в звене постоянного тока.
Расчеты
Определение тока электродвигателя.
❶ Формула для любого трёхфазного асинхронного электродвигателя:
❷ Быстрый расчет трехфазного электродвигателя
❸ Быстрый расчет однофазного электродвигателя
Подбор частотного преобразователя (ПЧ)
❶ Базовое правило номинальный ток ПЧ ≥ номинального тока двигателя.
❷ Выбрав преобразователь необходимо проверить соответствие мощности, но ключевым все равно остается ток.
Подбор силового контактора
❶ Ток контактора подбирается по номинальному току двигателя указанного на шильдике или произведя расчет по формуле выше. Он не должен быть меньше тока двигателя.
❷ Коммутационная износостойкость - расчетное количество циклов включения и выключения расцепителя, после которого требуется замена силовых контактов или контактора целиком. Показатель определяет срок эксплуатации устройства. Коммутационной износостойкость, подразделяется на классы:
- А – рассчитан на 1,5–4 миллиона циклов;
- Б – рассчитан на 0,63-1,5 миллиона циклов;
- В – рассчитан на 100–500 тысяч циклов.
❸ Рабочий ток Ie при заданной категории применения. Род коммутируемой нагрузки имеет значение при выборе контактора, самой распространенной является AC-3, применяемая для асинхронных двигателей с короткозамкнутыми роторами. Дополнительно указывается номинальный ток Ie по категории АС-1 для неиндуктивных или незначительно индуктивных нагрузок. Список основных категорий нагрузок:
❹ Напряжение питания катушки контактора должно подходить к напряжению цепи управления:
- 24 В, 110 В, 220 В, 380 В (переменный ток).
- 12 В, 24 В, 48 В (постоянный ток).
❺ Опираясь на схему управления определить тип (НО или НЗ), а также количество вспомогательных контактов.
Подбор теплового реле
❶ Выбрать диапазон регулировки, в который соответствует:
❷ Определить режим работы двигателя → выбрать класс расцепления.
МЭК 60947-4-1 определяет 4 класса срабатывания теплового реле. Классы 10 и 10 А для нормальных режимов работы. Классы 20 и 30 для тяжелых и очень тяжелых условий пуска двигателей.
❸ Опираясь на схему управления определить тип (НО или НЗ), а также количество вспомогательных контактов.
❹ Установить ток реле (105–115% номинального тока двигателя):
Подбор устройства плавного пуска (УПП)
❶ Базовое правило номинальный ток УПП ≥ номинального тока двигателя.
❷ Требуемое время разгона и торможения. Зависит от типа управляемого агрегата, для насосов важен наиболее плавный запуск и остановка для исключения гидроударов.
❸ Количество запусков в час. Влияет на тепловой режим работы УПП
❹ Ток кратковременной перегрузки. Некоторые агрегаты имеют большой стартовый момент инерции (дробилки, загруженные конвейеры, насосы вязких жидкостей) который даже с УПП создает пусковой ток.
❺ Выбрав устройство плавного пуска необходимо проверить соответствие мощности, но ключевым все равно остается ток.
Автоматический выключатель (АВ)
❶ Автомат выбирается по номинальному входному току частотного привода или устройства плавного пуска.
❷ Подбор время/токовой характеристики автоматического выключателя
- С - стандартная нагрузка
- D - тяжелый режим эксплуатации
Подбор автомата пуска двигателя (АПД)
❶ Рабочий ток АПД подбирается по номинальному току двигателя указанного на шильдике или произведя расчет по формуле выше. Он не должен быть меньше тока двигателя.
❷ Определить режим работы двигателя → выбрать класс расцепления.
МЭК 60947-4-1 определяет 4 класса срабатывания теплового реле. Классы 10 и 10 А для нормальных режимов работы. Классы 20 и 30 для тяжелых и очень тяжелых условий пуска двигателей.
❸ Максимальный ток короткого замыкания (I cu) который автоматический выключатель способен отключить, не разрушившись и не потеряв работоспособность.
❹ Определить список дополнительных функций: защита от асимметрии и перекоса фаз, защита от обрыва фазы, защита от затянутого пуска, защита от повышенного/пониженного напряжения.
Определение необходимости, подбор входного дросселя
❶ Применяется при:
- скачки питающего напряжения более ±10%
- питающее напряжение от слабой или удалённой сети
- мощность преобразователя 7 кВт и выше
- наличие на линии других мощных потребителей, вызывающих коммутационные помехи в т.ч. большого количества частотных преобразователей
❷ Быстрая методика подбора
- Индуктивность L=2…4% от сетевого напряжения.
- Ток дросселя ≥ 1.1× номинального тока ПЧ.
Определение необходимости, подбор выходного дросселя
❶ Применяется при:
- длина кабеля от ПЧ до двигателя > 50 м.
- ПЧ без встроенного фильтра dU/dt.
- старый двигатель с изоляцией класса F или ниже.
❷ Быстрая методика подбора
- Индуктивность L=1…3% от сетевого напряжения.
- Ток дросселя ≥ 1.1× номинального тока ПЧ.
Тормозной резистор
При большой инерции нагрузки на шине постоянного тока ПЧ возникает повышенное напряжение которое не успевает гаситься внутренним тормозным резистором, решением является установка внешнего тормозного резистора.
❶ Упрощенная формула расчета, когда ток торможения — 0,5 * I номинального тока двигателя, а результирующий тормозной момент приблизительно равен номинальному моменту двигателя. Чем больше инерция нагрузки, тем короче время торможения, тем больше выбранный ток торможения Iв.
❷ Согласно току торможения выбрать значение сопротивления тормозного резистора Rв.
❸ Мощность тормозного резистора:
К — это конфидент торможения, пределы 0.1 - 0.5 (зависит от инерции нагрузки и временем останова). Большая инерция нагрузки ➢ короткое время останова, больший конфидент торможения К. Для обычной нагрузки подходит 0.1 - 0.2, для инерционной нагрузки выбрать 0.5.
Таблица подбора тормозного резистора с усредненными значениями, где коэффициент торможения находится в диапазоне 0.1 - 0.2.
Вывод
В статье были рассмотрены агрегаты пуска и защиты для асинхронных электродвигателей, все приведенные формулы подбора являются упрощенными вариантами основных формул с целью ускорения производства работ и подбора оборудования.