Технологии за защита на електродвигатели

Електродвигателите са изложени на много видове смущения и натоварвания. Част от смущенията се дължат на наложени външни условия като прекомерно високо или ниско напрежение, висока или ниска честота, хармоници, небалансирано напрежение на системата и прекъсвания на захранването, например автоматичното рестартиране, което се случва в захранващата мрежа.

Други възможни причини за външни смущения са замърсяване в двигателя, неизправности в охлаждащата система и лагерите или повишаване на околната температура и влажност. Фактори на натоварване, дължащи се на необичайната експлоатация на самия двигател, са честите последователни стартирания, прекъсване и претоварване, включително механичен стрес.

Гореспоменатите натоварвания и смущения увреждат механично изолацията на намотките на двигателя и чрез увеличаване на степента на термичното стареене може евентуално да предизвикат дефектирането й.

Целта на защитата на двигателя е да ограничи ефектите от смущенията и натоварванията до безопасно ниво, например чрез ограничаване на свръхнапреженията или чрез предотвратяване на твърде честите опити за стартиране. Ако обаче възникне неизправност в двигателя, целта на защитата е да го изключи своевременно от захранващата мрежа.

Мониторинг честотата на стартиране

За да не се съкрати очакваната продължителност на живота на двигателя, трябва да има адекватен интервал от време между последователните стартирания. Ето защо не трябва да се превишава определената честота на стартиранията, т. е. броят стартове за час, специфицирани за даден електродвигател.

Важна особеност по време на последователните стартирания е, че температурата на ротора се покачва и пада много бързо, докато температурата на статора се променя много по-бавно. При номинално натоварване температурата на ротора е много по-ниска от тази на статора.

Ако след стартиране двигателят работи известно време, преди да спре, роторът има достатъчно време, за да се охлади. Тогава, дали може да се извърши рестарт или не, зависи изцяло от температурата на статора, която може да бъде ограничаващ фактор.

От друга страна, ако първоначалният старт е направен от “студено” състояние и не е бил успешен поради някаква причина, то тогава възможността за рестарт зависи изцяло от температурата на ротора, което в случая я прави ограничаващ фактор. Ако първоначалното стартиране е било направено от “топло” състояние, тогава ограничаващият фактор отново е температурата на статора.

Мониторингът на последователните стартирания може да се извърши чрез използване на проста функция за броене: за определен период от време се разрешава определено количество стартови секунди. Недостатъкът на този метод е, че той не разграничава неуспешните стартирания от нормалните.

По-добър и по-точен метод за защита на електродвигателите от твърде чести стартирания е използването на термичен модел с определяне на лимити за позволените стартови температури. Ако установената температура на ротора или статора превишава лимита, то повторният старт бива забранен.

Защита от претоварване

Незначителните претоварвания не водят до незабавно възникване на неизправност в електродвигателите, но в крайна сметка скъсяват жизнения им цикъл. От друга страна, постоянното претоварване може да е знак за някакво смущение в процеса, в който се използва електрозадвижването.

Поради тази причина е препоръчителна двустепенната защита от претоварване. Сигнализиращата степен реагира, когато предписаната граница на натоварване на мотора е превишена. Тази функция може да бъде осъществена чрез задаване на предварително определено ниво на температурата в термичния модел.

Алармата за предупреждение дава на оператора известно време, за да потърси вероятния източник на претоварване и да се опита да го отстрани. Ако претоварването стане по-високо, например 10-15%, стартира етапът на спиране, при който захранването на двигателя се изключва своевременно, освен ако преди това не е бил елиминиран източникът на претоварване.

Според термичния модел спиране се извършва, когато очакваното топлинно ниво надвишава 100%.

Комплексната защита от претоварване всъщност изисква използването на двоен времеконстантен модел за ротора и статора, като по този начин се гарантира пълно използване на наличния капацитет на двигателя.

Адекватна защита обаче може да се осъществи и при използване на модел с една времева константа, който да е настроен така, че да позволява нормално използване на електромоторното задвижване при подходяща допустима граница.

Температурата на околната среда оказва голямо влияние върху товароспособността на двигателя. За да се използва това напълно, схемата за защита трябва да бъде снабдена със сензор за измерване на температурата на околната среда, данните от който след това да се приложат за компенсиране на термичния модел. Друг вариант е температурата на околната среда да се вземе под внимание при настройката на стартовия ток на защитата.

Защита от блокиране на двигателя

Ако допустимото време за блокиране на двигателя е по-дълго от нормалното време за стартиране и ако работната характеристика за термично претоварване може да бъде настроена на по-ниска стойност от характеристиката време/ток, дефинираща блокиране и термично претоварване, то тогава няма да има нужда от специална защита от блокиране.

Въпреки това, в случай на блокиране оперативното време за реакция на защитата срещу топлинното претоварване може да стане значително по-дълго, подлагайки двигателя на ненужно висок топлинен и механичен стрес. Това зависи от допустимата граница между издръжливостта на блокиране и характеристиката на настройката за предпазване от претоварване.

Поради това се препоръчва специална защита, която изключва захранването възможно най-бързо в случай на блокиране. Един от начините за прилагане на защитата е принципът I2t, при който настройката се базира на тока и времето за стартиране на двигателя.

Позволеното от функцията време за стартиране се определя от измерения ток, така че зададената стойност на Is2ts да остане постоянна. Предимството на този принцип е, че при него се отчита удълженото стартово време, дължащо се на ниско напрежение.

В допълнение, чрез задаване на етап със свръхток, чиито стартови настройки се контролират от информацията за това дали машината стартира или вече работи, може да бъде реализирана защита от блокиране по време на експлоатация.

При стартиране стойността на работния ток е зададена като по-голяма от тази на стартовия ток, докато при работа тя автоматично намалява наполовина. Следователно, в случай на блокиране по време на експлоатация, прекъсването на захранването на двигателя се задейства след кратко закъснение.

За защита от продължителни стартове на двигатели с времена, по-големи от безопасните стойности по отношение на блокирането, трябва да се предостави сигнал от външен тахометър. Подаването на този сигнал е индикатор, че пускът е успешен и няма да последва изключване.

Защита от прегряване

Температурата на мотора може да се повиши над допустимите номинални стойности за статора и ротора, дори когато двигателят всъщност не е претоварен. Възможни причини за това са замърсявания в двигателя, повреди в охладителната система или хармонични токове.

Особено при честотни регулатори прегряване може да се получи, ако моторът се захранва с номинален ток постоянно, а работи на ниски обороти поради увеличените загуби и нарушеното охлаждане.

Следователно, функция за защита, която измерва само тока, може да не регистрира тези условия. Топлинната защита може да бъде пълна чрез директно измерване на температурата със сензори и функция за прегряване, работеща на база зададено ниво.

Повишената температура е индикация за това, че има риск лагеруването да дефектира.

Плъзгащите лагери, които обикновено се използват при по-големи машини, могат да бъдат оборудвани със сензори за измерване на температура и срещу прегряване на лагерите може да се използва функция, аналогична на тази за защита от прегряване на статора.

В допълнение, защитата от прегряване може да се подобри чрез функция, следяща температурата на охлаждащата течност, която може да превиши допустимата си стойност например поради покачване на температурата на околния въздух или охлаждащата вода, или поради неизправност в топлообменника. За да се внедри адекватна защита, температурните сензори трябва да се поставят на подходящо място за измерване на температурата на охлаждащата течност.

Защита от дисбаланс

Дисбалансът в захранващото напрежение обикновено се дължи на прекъсната фаза някъде по мрежата. Това може да е в резултат от еднофазен отказ на предпазител или несъответствие на полюс на прекъсвач или шалтер.

Освен това неравномерното натоварване на фазите води до различаващи се падове на напрежението, в резултат на което може да се получи лек дисбаланс в захранващото напрежение. Несиметричните отклонения са причина за краткосрочни състояния на дисбаланс.

Небалансираните фазови токове са източник на ток с обратна последователност в двигателя, генерирайки магнитен енергиен поток с посока, противоположна на посоката на въртене на вала на двигателя.

Честотата на този компонент е 2-s, където s е честотната разлика, и предизвиква токове с тази честота в ротора. Това води до лек отрицателен въртящ момент и най-вече до увеличаване на загубите от вихрови токове.

Поради високата честота на индуцираните токове в ротора скин-ефектът предизвиква увеличаване на съпротивлението на ротора в сравнение със съответното постояннотоково съпротивление.

По този начин една единица ток с обратна последователност води до по-голям ефект на нагряване от една единица ток с права последователност. Разпределението на тока между фазите зависи от причината и характера на дисбаланса и от параметрите на двигателя.

Необходима е отделна защита против дисбаланс, за да се предпази двигателят, работещ с небалансирано захранващо напрежение, освен ако топлинният ефект на тока с обратна последователност е отчетен в достатъчна степен от термичния модел, използван за защита от претоварване.

Освен това дисбалансът причинява и механични проблеми като вибрации. Поради това винаги трябва да се открива поне силният дисбаланс и да се внедри специална защита, основана например на величината на тока с обратна последователност.

Трябва да се предпочита инверсната времева характеристика и времето на работа трябва да бъде избрано така, че да се осигури нормалната експлоатация на двигателя, особено при стартирането му, когато на практика може да се измери ток с обратна последователност.

Колебания в захранващото напрежение и честотата

В повечето случаи двигателите могат да бъдат оприличени с независими от напрежението товари с постоянно съотношение V/Hz - понижаването на захранващото напрежение ще бъде последвано от повишаване на фазовия ток.

Докато съотношението V/Hz е почти на постоянно ниво, вариациите в напрежението и честотата не причиняват никаква специфична вреда на двигателя. В такъв случай състоянието на ниско напрежение предизвиква увеличение на фазовия ток и може да се получи претоварване на двигателя, което след това се засича от защитата от топлинно претоварване.

Увеличаването на съотношението V/Hz повишава индукцията, което води до някаква степен на насищане в нормално индуктивните компоненти на мотора. Това поражда разсейване на индукцията и възбудителни токове, протичащи извън обичайно индуктивните части, които поради това се загряват значително от генерираните вихрови токове.

Обикновено се осигурява и защита срещу продължителни състояния на под- и пренапрежение. Тази защита действа в случай на свръхволтаж от порядъка на 10-20%.

Защитата при ниско напрежение е настроена да изключва захранването при пълна загуба на напрежение, така че при възстановяване на напрежението се предотвратява едновременното рестартиране на всички двигатели.

Защита от повторно активиране при дефазиране

Необичайно висок стартов ток може да се генерира в двигател, ако се подаде напрежение малко след прекъсване на захранването. Полученият ток може да бъде по-голям от нормалния стартов ток, което предизвиква прекомерно топлинно и механично натоварване, свързани с риск от директно повреждане на двигателя.

След прекъсване на захранването, напрежението и честотата, измерени на клемите на мотора, започват да намаляват. Това води до фазово изместване, разлика в напрежението и честотата между източника на захранване и клемите на двигателя. Степента на понижение на тези параметри се определя от вида на двигателя и характеристиките на задвижването.

Дали повторното затваряне на един източник, т. е. затварянето на прекъсвача на източника, може да бъде осъществено или не, зависи от това какви са величините на разликите на обсъдените по-горе показатели по време на прекъсването, както и от неговата продължителност.