Аварийные режимы асинхронных
электродвигателей
и способы их защиты

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ВЫБОР СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ

Анализ режимов работы асинхронного двигателя показывает, что в производственных условиях могут быть разнообразные аварийные ситуации, влекущие за собой разные последствия для двигателя. Средства защиты не обладают достаточной универсальностью для того, чтобы во всех случаях, независимо от причины и характера аварийного режима, отключить двигатель при возникновении любой опасной для него ситуации. Каждый аварийный режим имеет свои особенности. Применяемые в настоящее время защитные аппараты имеют недостатки и достоинства, проявляющиеся в определенных условиях. Следует также принимать во внимание и экономическую сторону вопроса. Выбор средств защиты должен опираться на технико-экономический расчет, в котором необходимо учитывать стоимость самого защитного аппарата, затраты на его эксплуатацию, величину ущерба, который наносит авария двигателя. При этом следует иметь в виду, что надежность действия защиты зависит также от характеристик рабочей машины и режима ее работы. Наибольшей универсальностью обладает температурная защита. Но она стоит дороже, чем другие средства защиты, и сложнее по устройству. Поэтому ее применение оправдано в тех случаях, когда другие виды защиты либо не могут обеспечить надежную работу, либо защищаемая установка предъявляет повышенные требования к надежности действия защиты, например изза большого ущерба при аварии двигателя.

Тип защитного аппарата следует выбирать при проектировании технологической установки с учетом всех особенностей ее работы. Эксплуатационный персонал должен получать укомплектованное всем необходимым оборудование. Однако в некоторых случаях при переоборудовании   или   перестройке   технологической   линии эксплуатационному персоналу необходимо самому решать вопрос, какой тип защиты целесообразно применить в конкретном случае. Для этого необходимо проанализировать возможные аварийные режимы установки и выбрать требуемый защитный аппарат. В настоящей брошюре мы не будем подробно рассматривать методику выбора защиты двигателей от перегрузки. Ограничимся лишь некоторыми рекомендациями общего характера, которые могут быть полезны для эксплуатационного персонала сельских электроустановок.

Прежде всего необходимо установить характерные для данной установки аварийные режимы. Одни из них возможны во всех установках, а другие только в некоторых. Перегрузки при потере фазы независимы от рабочей машины, они могут возникать во всех установках. Тепловые реле и встроенная температурная защита вполне удовлетворительно выполняют защитные функции при этом виде аварийного режима. Применение специальной защиты от потери фазы дополнительно к защите от перегрузки должно быть обосновано. В большинстве случаев она не требуется. Достаточны тепловые реле и температурная защита. Необходимо систематически проверять их состояние и регулировать. Лишь в тех случаях, когда авария двигателя может привести к большому ущербу, можно использовать специальную защиту от перегрузки при потере фазы.

Тепловые реле недостаточно эффективны как средство защиты от перегрузок при переменном (с большими колебаниями нагрузок), при повторнократковременном и кратковременном режимах работы. В этих случаях более эффективна встроенная температурная защита. В случае машин с тяжелым пуском также следует отдать предпочтение встроенной температурной защите.

Из имеющегося разнообразия средств защиты асинхронного двигателя широкое применение нашли только два устройства: тепловые реле и встроенная температурная защита. Эти два устройства являются конкурирующими при проектировании электроприводов сельскохозяйственных машин. Для выбора типа защиты проводят технико-экономический расчет по методу приведенных затрат. Не останавливаясь на точном расчете по этому методу, рассмотрим применение его основных положений для выбора наивыгоднейшего варианта защиты.

Предпочтение следует отдавать варианту, при котором будут наименьшие затраты на приобретение, монтаж и эксплуатацию рассматриваемых устройств. При этом должен быть учтен ущерб, который несет производство от недостаточной надежности действия защиты. Затраты, приведенные к одному году использования, определяют по формуле

где К — стоимость двигателя и защитного устройства, включая затраты на их транспортировку и монтаж;

ка — коэффициент, учитывающий отчисления на амортизацию, обновление оборудования, ремонт;

Э — эксплуатационные расходы (стоимость обслуживания средств защиты, потребляемой электроэнергии и др.);

У — ущерб, который несет производство из-за отказа или неправильного действия защиты. Величина ущерба складывается из двух слагаемых

где Ут— технологический   ущерб,   вызванный   аварией двигателя (стоимость недоотпущенной или испорченной продукции);

Кд— стоимость замены вышедшего из строя двигателя и защитного устройства, включая затраты на демонтаж старого и монтаж нового оборудования; ро— вероятность отказа  (неправильного действия) защиты,   приведшего   к   аварии  двигателя. Эксплуатационные расходы значительно меньше остальных   составляющих   приведенных  затрат,   поэтому ими можно пренебречь в дальнейших расчетах. Стоимость двигателя со встроенной защитой и аппаратуры встроенной защиты больше стоимости обычного двигателя и теплового реле. Но первая из рассматриваемых защит  более   совершенна.   Она   действует  эффективно практически при всех аварийных ситуациях,  поэтому ущерб  от  ее   неправильного действия  будет  меньше. Затраты  на  более дорогую  защиту  будут  оправданы лишь в том случае, если ущерб снизится на величину большую, чем дополнительные затраты на более совершенную защиту.

Величина технологического ущерба зависит от характера технологического процесса и времени простоя оборудования. В отдельных случаях ее можно не учитывать. Это относится прежде всего к отдельно работающим установкам, простои которых на время устранения аварии не оказывают заметного влияния на все производство. По мере насыщения производства средствами механизации и электрификации повышается уровень требований к надежности работы оборудования. Простои из-за неисправности электрооборудования приводят к большим ущербам, а в некоторых случаях становятся недопустимыми. Пользуясь некоторыми усредненными данными, можно определить сферу экономически оправданного применения более сложных устройств защиты.

Величина вероятности отказа защиты ро зависит от конструкции и качества изготовления аппаратуры, а также от характера аварийного режима, в котором может оказаться двигатель. Как было показано выше, при некоторых аварийных режимах тепловые реле не обеспечивают надежное отключение двигателя. В этом случае лучше встроенная температурная защита. Опыт использования этой защиты показывает, что величину вероятности отказа этой защиты рва можно принять равной 0,02. Это означает, что существует вероятность того, что из 100 таких устройств две могут не сработать, вследствие чего произойдет авария двигателя.

Пользуясь формулами (40) и (41), определим, при каком значении вероятности отказов тепловых реле ртр приведенные затраты будут одинаковыми. Это даст возможность оценить сферу применения того или иного устройства. Если пренебречь эксплуатационными затратами, можно написать

где индексы вз и тр соответственно означают встроенную защиту и тепловое реле. Отсюда получим

Для того чтобы представить порядок требуемого уровня надежности действия теплового реле, рассмотрим пример.

Определим предельно допустимое значение ртр теплового реле ТРН-10 с биметаллическими элементами в комплекте с двигателем АО2-42-4СХ путем сравне­ния с вариантом применения двигателя АО2-42-4СХТЗ с встроенной температурной защитой УВТЗ, для которого принимаем рвз = 0,02. Технологический ущерб принимаем равным нулю. Стоимость двигателя с тепловым реле, включая затраты на транспортировку и монтаж, составляет 116 руб., а для варианта с защитой УВТЗ— 151 руб. Стоимость замены вышедшего из строя двигателя АО2-42-4СХ и теплового реле ТРН-10 с учетом затрат на демонтаж старого оборудования и монтаж нового составляет 131 руб., а для варианта с защитой УВТЗ — 170 руб. В соответствии с существующими нормативами принимаем кэ = 0,32. После подстановки этих данных в уравнение (43) получим

ртр =	0,32(151 - 116) + 0,02 ∙ 170	= 0,11.
	131

Если ущерб на один отказ равен 100 руб., то

ртр =	0,32(151 - 116) + 0,02 (170 + 100)	= 0,072.
	131 + 100

Полученные величины характеризуют допустимые вероятности отказов, выше которых применение тепловых реле экономически невыгодно. Аналогичные цифры получают для других двигателей небольшой мощности. Чтобы определить целесообразность применения рассматриваемых средств защиты, нужно сопоставить допустимые вероятности отказов с фактическими.

Отсутствие достаточных данных о фактических значениях не позволяют точно определить область эффективного применения рассмотренных защитных устройств путем прямого использования изложенного метода технико-экономического расчета. Однако, пользуясь результатами анализа режимов работы асинхронного двигателя и защитных устройств, а также некоторыми данными, косвенно характеризующими показатели требуемой надежности, можно наметить области предпочтительного использования того или иного вида защитного устройства.
Фактический уровень надежности действия защиты зависит не только от принципа ее действия и качества изготовления аппаратуры, но также и от уровня эксплуатации электрооборудования. Там, где налажено техническое обслуживание электрооборудования, несмотря на некоторые недостатки тепловых реле, уровень аварийности электродвигателей невысокий. Практика передовых хозяйств показывает, что при хорошо налаженном техническом обслуживании электроустановок ежегодный процент выхода из строя электродвигателей, защищенных тепловыми реле, можно снизить до 5% и ниже. Однако следует заметить, что такой вывод справедлив только при рассмотрении общей картины. При рассмотрении некоторых конкретных условий предпочтение должно быть отдано другим устройствам защиты. Исходя из анализа режимов работы электропривода, можно указать ряд установок, для которых вероятность отказов тепловых реле будет высокой по причине недостатков принципа их действия.

1. Электроприводы машин, имеющих резкопеременную нагрузку (измельчители кормов, дробилки, пневмотранспортеры для загрузки силосной массы и т. п.). При больших колебаниях нагрузки тепловые реле не могут «моделировать» тепловое состояние двигателя, поэтому уровень фактических отказов тепловых реле в таких  установках будет высоким.
2. Электродвигатели, работающие по схеме «треугольник». Их особенность заключается в том, что при обрыве одной из фаз питающей линии ток в оставшихся линейных проводах и фазах возрастает неодинаково. В наиболее нагруженной фазе ток растет быстрее, чем в линейных проводах.
3. Электродвигатели установок, работающих при повышенной частоте аварийных ситуаций, приводящих к остановке двигателя (например, транспортеры для уборки навоза).
4. Электродвигатели установок, простои которых наносят большой технологический ущерб.