ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕГРУЗОК
В предыдущих главах основное внимание уделялось наиболее распространенным средствам защиты асинхронных двигателей от перегрузок. Между тем известно много других устройств аналогичного назначения. Если просмотреть электротехнические журналы последних лет, можно найти описание нескольких десятков различных предложений по совершенствованию существующих средств защиты, а также вновь разработанных. Это говорит о том, что ведутся интенсивные поиски новых решений для повышения эффективности действия защитных устройств. Повышенный интерес исследователей и изобретателей объясняется более жесткими требованиями к надежности работы электроприводов в современном производстве и возможностями, которые открываются при появлении новых электротехнических материалов с необычными характеристиками. Все это говорит о том, что в скором времени появятся новые средства защиты двигателей от перегрузок. В связи с этим целесообразно попытаться прогнозировать основные пути совершенствования средств защиты асинхронных электродвигателей, имея в виду их использование в сельском хозяйстве.
Рассматривая пути развития аппаратуры защиты асинхронных двигателей, можно выделить две основные тенденции, которые в какой-то мере являются противоречивыми. Первая тенденция заключается в разработке защитных устройств с более совершенными техническими характеристиками. Появляется возможность приспосабливать защиту к наиболее часто встречающимся аварийным режимам и тем самым «специализировать» ее на работу с определенными электроприводами. Это приводит к увеличению типов защитных аппаратов. Вторая тенденция заключается в стремлении к унификации оборудования. Увеличение числа защитных аппаратов порождает стремление к их типизации и унификации с целью сокращения номенклатуры, то выгодно промышленности и эксплуатационной службе. Выпуск однотипных изделий позволяет улучшить их качество и снизить стоимость. Унифицированная аппаратура удобна в эксплуатации. Она более надежна и легко заменяема в случае выхода из строя. Выбор оптимальной системы защитных средств заключается, по-видимому, в разумном компромиссе между этими тенденциями.
В последнее время большое внимание уделяется разработке электронных моделирующих устройств, предназначенных для защиты двигателей, работающих в режиме с частыми пусками и остановками, с пусками и торможениями. В таких режимах работы простые формы защиты, рассмотренные выше, оказываются неэффективными. Моделирующие устройства позволяют обеспечить контроль за нагревом отдельных узлов машины, которые при сложных рабочих циклах нагреваются по-разному. Электронная модель является тепловым аналогом двигателя. Такое защитное реле сложнее, чем тепловое реле на биметаллических элементах. Область его применения ограничена специальными электроприводами. Однако по мере его совершенствования можно ожидать расширения масштабов применения.
Для предупреждения нежелательных отключений при затяжных пусках иногда применяют реле с насыщающимися трансформаторами тока. Такой прибор состоит из специальных трансформаторов тока, к которым подключено реле защиты. Коэффициент трансформации трансформаторов до значения 1,2 от номинального тока практически постоянен. В этой области перегрузок действие реле не отличается от действия теплового реле. При больших токах вторичный ток растет медленнее, чем первичный, вследствие насыщения магнитопровода трансформатора. Это задерживает срабатывание защиты при пусковых режимах, в то время как в рабочих режимах отключается без задержки. Такие устройства также имеют ограниченную область применения.
При сложных режимах работы рекомендуют комбинированную защиту, состоящую из теплового реле с биметаллической пластиной и температурного реле с позистором. Такая комбинация наиболее универсальна. Однако дублирование защиты должно быть обосновано путем детального рассмотрения возможных аварийных режимов и последствий аварий двигателя.
Оригинальна идея совмещения контроля температуры обмотки с контролем сопротивления изоляции. Температуру двигателя контролируют путем измерения сопротивления обмоток по специальной схеме, позволяющей измерять, не отключая двигатель от сети. Электрический фильтр исключает прохождение переменного напряжения в измерительную цепь. Сопротивление обмоток при нагреве возрастает. Сигнал, пропорциональный изменению сопротивления, подается на электронное устройство, отключающее катушку магнитного пускателя. Схема реагирует также на появление асимметрии напряжения и электрического потенциала на корпусе двигателя, обеспечивая отключение двигателя при обрыве фазы и снижении сопротивления изоляции при ее увлажнении [5].
Применение полупроводниковой техники дает возможность создавать защитные устройства, действующие в зависимости от электрических величин, значения которых изменяются при поступлении аварийных режимов. Измерение фазы напряжения дает возможность контролировать симметрию трехфазной системы. В случае однофазного режима чувствительный элемент дает сигнал на отключение. В Латвийской сельскохозяйственной академии разработано защитное устройство, в котором объединены функции контроля температуры обмоток и фазы напряжений на зажимах двигателя. Такая защита реагирует на все основные аварийные режимы асинхронного двигателя. Опыт эксплуатации в хозяйствах Латвийской ССР показал ее работоспособность.
Для защиты электродвигателей большой мощности в ПНР разработаны опытные экземпляры устройства с применением элементов вычислительной техники. Сигналы о перегрузках подаются на счетчик. Их переполнение через определенное время вызывает отключение электродвигателя. Цифровая схема обеспечивает возможность учета не только текущего значения тока, но также и предшествующие перегрузки.
Наряду с разработкой новых типов защитных устройств продолжается совершенствование конструкции тепловых реле и предохранителей. На выставке «Электро-77», состоявшейся в июне 1977 г., экспонировались новые средства защиты двигателей от перегрузки.
В СССР разработана новая конструкция тепловых реле серии РТТ, в которой, в отличие от серии ТРН, биметаллические элементы установлены в каждой азе. Реле представляет собой пластмассовый корпус, имеющий четыре ячейки. В трех из них размещены нагревательные элементы, в четвертой — исполнительный механизм с контактами. Реле РТТ-11 имеет диапазон номинальных токов от 0,2 до 63 А, а реле РТТ-21 — от 63 до 160 А. Применение защиты с нагревательными элементами, установленными в каждой фазе, делает ее более эффективной при потере фазы.
На выставке демонстрировали автоматические выключатели серии АЕ-2000, предназначенные для защиты от перегрузок и токов короткого замыкания, включения и отключения короткозамкнутых двигателей при нечастых пусках.
Приведенные примеры показывают, что. возможности совершенствования защитных средств еще далеко не исчерпаны. Применение полупроводников позволяет получать более достоверную информацию о тепловом и влажностном состоянии обмоток двигателя и в соответствии с режимом работы двигателя и допустимыми пределами изменения контролируемых параметров проводить необходимые операции управления.
Вторая тенденция в развитии защитных устройств асинхронных электродвигателей связана с разработкой комплектных унифицированных узлов и блоков управления для технологических линий сельскохозяйственного производства. В каждой питающей линии устанавливают несколько аппаратов управления и защиты, выполняющих различные функции. Технологическая линия состоит из нескольких электроприводов, работающих взаимосвязанно. Для согласования работы всех частей линии необходимы всякого рода блокировки. В результате число используемых аппаратов возрастает. Также множится число вариантов схемных решений. Работа каждого из элементов сложной схемы должна быть взаимоувязана с работой других. Для того чтобы не разрабатывать и не выпускать для каждой технологической линии индивидуальные станции управления, необходима унификация и типизация узлов и блоков управления защиты. Нужно найти такое число элементов, комбинация которых позволит составлять требуемое число вариантов исполнения станций управления. Совокупность этих элементов образует типоразмерный ряд унифицированных блоков и узлов. Каждый элемент этого ряда должен иметь подобранную аппаратуру управления и защиты с согласованными характеристиками.
Применительно к системе машин для комплексной механизации сельскохозяйственного производства институтом ВНИИЭлектропривод разработаны типовые унифицированные низковольтные комплектные устройства управления и защиты электроприводов сельскохозяйственных машин и установок.
Типовые блоки управления выполнены в оболочках РУС (распределительные устройства серийные). В них установлены автоматические выключатели, магнитные пускатели, предохранители, тепловые реле, кнопки управления и сигнальные лампы. В некоторых типах РУС предусмотрено применение защитно-отключающих устройств, срабатывающих при токе утечки более 10 А, и встроенной температурной защиты. Типовые комплектные устройства отличаются схемами соединения и номинальными токами тепловых расцепителей автоматов. В качестве аппаратов защиты от токов короткого замыкания использованы автоматы серии АЕ-2000, предохранители типа ПРМ и ПН-2. Защита от перегрузок установок с одним электроприемником осуществляется тепловыми расцепителями автоматического выключателя.
В соответствии с Руководящими техническими материалами «Электротехнические изделия, рекомендуемые для применения в сельскохозяйственном машиностроении на 1976 — 1980 гг.» (РТМ 105/23.2—5—75) унифицированные комплектные устройства типа РУС рекомендуется применять при проектировании и производстве электрифицированных сельскохозяйственных машин.
Дальнейшим развитием унифицированных комплектных устройств являются станции управления для технологических линий сельскохозяйственного производства, демонстрировавшиеся на выставке «Электро-77». Распределительное устройство РУС-А-5912-13А2, предназначенное для управления двухрядными кормораздатчиками типа РКС-3000 и РКУ-200, укомплектовано блоком встроенной температурной защиты УВТЗ-1.
Аналогичные блоки и станции управления разработаны для других технологических линий. Обозначение станций имеет следующую структуру: РУС-А-ХХХХ-ХХХХХ.
Первые три буквы означают серию распределительных устройств. Буква А определяет область применения (сельское хозяйство). Первая цифра в первой четверке знаков определяет класс станции управления: 5 — управление асинхронными электродвигателями трехфазного тока, 9 — вспомогательные станции других систем. Вторая цифра определяет группу станций в данном классе: 1 — прямой пуск, без реверса; 3 — пуск под пониженным напряжением; 4 — прямой пуск, реверс, 9 — управление несколькими электродвигателями; третья и четвертая цифры — порядковый номер в данной группе.
Первая цифра пятерки знаков определяет диапазон номинального тока силовой цепи: 0 — до 25 А; 1 — до 63 А; 2 — до 100 А. Вторая цифра — напряжение силовой цепи: 3 — 380 В; 2 — 220 В. Третье буквенное обозначение определяет незначительные конструктивные или схемные отличия, которые не меняют основного назначения станции. Четвертая цифра определяет напряжение цепи управления: 0 — отсутствие цепи управления; 2 — 220 В; 3 — 380 В. Последний знак определяет номинальный ток тепловых расцепителей и расцепителей максимального тока.
Например, обозначение РУС-А-5108-03А3А следует расшифровать таким образом: распределительное устройство серийное сельскохозяйственного назначения для прямого пуска трехфазных асинхронных двигателей, работающих без реверса, с номинальным током до 25 А, напряжение силовой цепи 380 В, напряжение цепи управления 380 В.
Для пуска и защиты электродвигателей кормоприготовительных машин (дробилок и измельчителей) разработано унифицированное комплектное устройство типа ЯАА5301, в котором пуск осуществляется по способу переключения со «звезды» на «треугольник», а встроенная температурная защита обеспечивает отключение двигателя при перегрузках. Отличительной особенностью дробилок и измельчителей кормов является затяжной пуск и неравномерная нагрузка. Практика показала, что тепловые реле на таких машинах работают недостаточно надежно. При питании от сетей с малой пропускной способностью пусковые токи вызывают большое снижение напряжения. В результате время пуска возрастает. Это, с одной стороны, влияет на другие двигатели, питающиеся от той же линии, а с другой — вызывает ложное отключение двигателя тепловыми реле.
Как было показано выше, при большой неравномерности нагрузки тепловые реле действуют недостаточно эффективно. Применение способа пуска со «звезды» на «треугольник» в сочетании со встроенной температурной защитой позволяет учесть особенности режимов кормоприготовительных машин и повысить надежность их работы.
При комплектовании аппаратуры управления и защиты также обращают внимание на защиту самих аппаратов. При протекании по ним токов короткого замыкания, а также токов перегрузки могут измениться их характеристики или появиться повреждения в отдельных деталях. Например, ток короткого замыкания в питающей цепи не обтекает обмотки двигателя, но может пройти через аппаратуру пуска и защиты. Все зависит от места короткого замыкания. Такие токи должны отключаться как можно быстрее. В противном случае может выйти из строя какой-нибудь элемент блока управления и защиты.
При выборе аппаратуры защиты от коротких замыканий в сельских электроустановках возникают две проблемы. Если питание осуществляется от мощного источника энергии, токи короткого замыкания в десятки раз больше номинальных. Через десятые доли секунды такие токи повреждают контакты аппаратуры включения, а нагревательные элементы теплового реле выгорают либо сильно изменяют свои характеристики. Защита от короткого замыкания должна сработать практически мгновенно.
Особенностью сельских электроустановок является то, что они питаются от сетей, имеющих малую пропускную способность. Токи короткого замыкания ограничиваются сравнительно большими сопротивлениями линии. Между токоприемником и энергосистемой включены трансформаторы и провода высоковольтных и низковольтных линий. Токи короткого замыкания становятся соизмеримыми с пусковыми. Защита должна «отличать», какой ток протекает, пусковой или ток короткого замыкания. В первом случае отключение должно произойти через 15 — 20 с, а во втором — через десятые или сотые доли секунды. Дополнительные трудности возникают при согласовании работы защиты от коротких замыканий на разных участках питающей линии. Начиная от трансформатора и кончая ответвлениями к каждому двигателю устанавливают последовательно несколько аппаратов защиты от коротких замыканий. При этом ток срабатывания каждого аппарата, стоящего ближе к источнику питания, должен быть на одну ступень выше тока срабатывания нижестоящего аппарата. Этим обеспечивается избирательность действия защиты. В первую очередь должна срабатывать та, которая расположена ближе к токоприемнику. Избирательное отключение ограничивает развитие аварии и предупреждает отключение исправных участков.
В некоторых конструкциях автоматических выключателей избирательность обеспечивается за счет кратковременной выдержки времени действия расцепителя максимального тока. Фирма «Дженерал Электрик» (США) демонстрировала на выставке «Электро-77» автоматические выключатели типа TJKS и TKMS, срабатывающие при коротких замыканиях с запаздыванием на несколько периодов изменения переменного тока (от 0,45 до 100 миллисекунд). Такой автоматический выключатель, установленный в магистральной линии, срабатывает только в том случае, если не отключает защита, установленная ближе к токоприемникам.
Таким образом обеспечивается избирательное отключение именно той разветвленной линии, на которой произошло короткое замыкание. Питание остальных линий не прерывается.
При выполнении этих требований сталкиваются с большими трудностями, если пропускная способность линии мала. Сравнительно небольшие токи короткого замыкания не дают возможности согласовать действие защиты на разных участках линии. Это необходимо иметь в виду эксплуатационному персоналу. После каждого короткого замыкания нужно тщательно проверять пускозащитную аппаратуру, чтобы убедиться в ее исправности.
Как уже отмечалось, надежность функционирования электроустановки зависит от ряда факторов. Защита от перегрузки является важным элементом в системе технических средств обеспечения надежности. Важным, но не единственным. Преувеличение или преуменьшение ее роли в равной мере недопустимы. В самом деле, есть ли необходимость в сложной и дорогой защитной аппаратуре для некоторых электроустановок, которые работают изолированно от других и все время, пока они включены, находятся под наблюдением обслуживающего персонала? По-видимому, здесь можно обойтись сравнительно простой и дешевой защитой. И наоборот, для установок, работающих на ответственных участках технологической линии в напряженных рабочих режимах, оправдано применение сложных и дорогих защитных устройств.
Таким образом, разработка и комплектование унифицированных станций управления электроприводами — сложная комплексная задача, требующая всестороннего учета многих факторов. Оптимальное решение может быть получено после технико-экономической оценки большого числа возможных вариантов схем и конструкций. Создание и внедрение системы комплектных устройств управления и защиты дает большие выгоды народному хозяйству. От этого выигрывает и промышленность и сельское хозяйство. Унификация позволяет удешевить производство и повысить качество продукции. Потребитель (сельское хозяйство) получает готовое к использованию устройство, отвечающее всем требованиям и особенностям производства. Эксплуатация такого устройства сводится к периодическому наблюдению за его состоянием и минимальному техническому обслуживанию. К минимуму сводится потребность в запасных частях и блоках, так как унификация делает их взаимозаменяемыми.