Способы защиты от аварийных режимов Применение надежной и эффективной защиты от аварийных режимов работы асин- хронных электродвигателей (АД) поможет значительно сократить количество и частоту аварийных ситуаций и продлить срок службы АД. В первой части своего материала («Новости Электротехники» № 2(32) 2005) Михаил Давидович Соркинд рассказал о том, какие аварии чаще всего случаются в процессе эксплуатации асинхронных электродвигателей. Во второй части («Новости ЭлектроТехники» № 3(33) 2005) он остановился на особенностях защитных устройств, служащих для быстрого определения повреждения двигателя и его отключения, – предохранителях, автоматических выключателях, тепловых реле (расцепителях). Сегодня автор рассматривает другие устройства защиты АД.
Термочувствительные защитные устройства Термочувствительные защитные устройства относятся к встраиваемой тепловой защите электродвигателя. Они располагаются в специально предусмотренных для этой цели гнездах в лобовых частях электродвигателя (защита от заклинивания ротора) или в обмотках электродвигателя. В основном их можно разделить на два типа: термисторы – полупроводниковые резисторы, изменяющие свое сопротивление в зависимости от температуры, и термостаты – биметаллические выключатели, срабатывающие при достижении некоторой критической температуры.
Термисторы Они в основном делятся на два класса: PTC – полупроводниковые резисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления и NTC – полупроводниковые резисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Для защиты электродвигателей используются в основном PTC-термисторы (позисторы), обладающие свойством резко увеличивать свое сопротивление, когда достигнута некоторая характеристическая температура TRef (рис. 1). Применительно к двигателю, это максимально допустимая температура нагрева обмоток статора для данного класса изоляции. Три (для двухобмоточных двигателей – шесть) PTC-термистора соединены последовательно и подключены к входу электронного блока защиты. Блок настроен таким образом, что при превышении суммарного сопротивления цепочки срабатывает контакт выходного реле, управляющий расцепителем автомата или катушкой магнитного пускателя. Термисторная защита предпочтительнее в тех случаях, когда по току невозможно определить с достаточной точностью температуру двигателя. Это касается прежде всего двигателей с продолжительным периодом запуска, частыми операциями включения и отключения (повторно-кратковременный режим) или двигателей с регулируемым числом оборотов (при помощи преобразователей частоты). Термисторная защита эффективна также при сильном загрязнении двигателей или выходе из строя системы принудительного охлаждения. Недостатком данного вида защиты является то, что с датчиками выпускаются далеко не все типы двигателей. Это особенно касается двигателей отечественного производства. Причем датчики могут устанавливаться только в условиях стационарных мастерских. Кроме того, температурная характеристика термистора достаточно инерционна и сильно зависит от температуры окружающей среды и от условий эксплуатации самого двигателя. Помимо термисторов, требуется также наличие специального электронного блока: термисторного устройства защиты двигателей, теплового или электронного реле перегрузки, в которых находятся блоки настройки и регулировки, а также выходные электромагнитные реле, служащие для отключения катушки пускателя или электромагнитного расцепителя.
Термостаты Еще одним видом устройств, реагирующих на сверхнормативные повышения температуры обмотки статора, являются термостаты, их еще называют реле температуры. Их работа основана на температурной деформации комбинации двух металлов с различным коэффициентом теплового расширения. Термостаты состоят из неподвижной контактной пластины, закрепленной в корпусе, биметаллической мембраны, изгибающейся в зависимости от температуры, и подвижной контактной группы, прикрепленной к ней стержнем. Для защиты двигателей обычно используются три (по одному на каждую обмотку) нормально замкнутых термостата, включенных последовательно и подключенных непосредственно к схеме управления двигателем. При превышении критической температуры обмотки они разрывают свою цепь, что приводит к отключению двигателя. Большинство из описанных защитных устройств, работающих по принципу измерения прямого или косвенного теплового действия тока, очень плохо реагируют на аварии, связанные с авариями сетевого напряжения. Для защиты от такого вида аварий используют реле напряжения и контроля фаз.
Реле напряжения и контроля фаз (мониторы напряжения) Предназначены для постоянного контроля параметров сетевого напряжения и управления трехфазными электроустановками, в т. ч. АД, путем отключения их от электрической сети в случае наступления аварийных режимов:
недопустимых перепадов напряжения (скачки и провалы напряжения); обрывов, слипания, перекосов, нарушения последовательности фаз – и последующего автоматического повторного включения электродвигателя после возвращения параметров сети в норму, если иное не предусмотрено технологическим процессом. Как показывает статистика, значительная часть аварий электродвигателей напрямую или косвенно связаны именно с авариями сетевого напряжения. Для защиты АД наиболее целесообразно применение т. н. мониторов напряжения, контролирующих несколько видов сетевых аварий. Большинство из присутствующих на рынке реле напряжения не обладают указанной универсальностью. Одни из них контролируют только обрыв фаз, другие – превышение или понижение напряжения, третьи – перекос фаз и т.д. Это приводит к необходимости использования нескольких аналогичных реле одновременно, что неоправданно усложняет и удорожает схему, уменьшает надежность. По схемотехнике данный класс реле условно можно разделить на две группы: аналоговые и цифровые. О преимуществах цифровой техники перед аналоговой сказано достаточно много. Отметим только, что характеристики аналоговых реле напряжения очень сильно зависят от параметров самого измеряемого напряжения и температуры окружающей среды. Их отличает низкая надежность, большие габариты и повышенное энергопотребление, работа по пиковым значениям напряжения, т. к. средствами аналоговой техники практически невозможно вычислить действующее значение напряжения. Микропроцессорные мониторы напряжения способны в одном малогабаритном устройстве совместить большинство функций, работают по действующему значению напряжения, различают виды аварий, имеют множество регулируемых и настраиваемых параметров. Специально для защиты АД у лучших образцов реле имеется независимая регулируемая (или «зашитая») уставка по минимальному напряжению для отстройки от пусковых посадок. Совмещать эту уставку с временем реакции (срабатывания) реле недопустимо, т.к. точно с такой же задержкой реле будет реагировать и на тяжелые аварии, такие, как обрыв фаз или сильный перекос. Эти мониторы имеют регулировку АПВ в широких пределах (для управления оборудованием с длительными переходными процессами), а также возможность контроля контактов магнитного пускателя. Последняя функция наиболее актуальна для мощных двигателей или для двигателей, работающих в стартстопном режиме (например, для электродвигателей компрессоров). Реле сохраняют работоспособность в пределах 50–150% от номинального напряжения и выдерживают кратковременные скачки напряжения, превышающие номинал в 2 раза, просты в эксплуатации и настройках.
Выводы по традиционным устройствам Суммируя всё вышеизложеное, можно сделать ряд выводов об общих недостатках традиционных защитных устройств: неоправданная избирательность срабатывания, не поддающаяся корректировке (срабатывание при допустимых рабочих режимах и несрабатывание при аварийных режимах); отсутствие отстройки от процесса пуска (если пусковые токи превышают номинальные в 5–10 раз, необходимо загрублять время реакции реле, что практически исключает функцию защиты); невозможность отключения при заклинивании ротора за определенное минимальное время; отсутствие сигнала о начале перегрузки; несогласованность токовременной характеристики с перегрузочной кривой двигателя; отсутствие тепловой модели двигателя. Даже самые лучшие устройства защиты не решают полностью задачу по защите АД от механических перегрузок, повреждений силового питающего кабеля, перекоса фазных токов, связанных с внутренними авариями двигателя или с ухудшением сопротивления изоляции обмоток. Полноценную защиту способно осуществлять устройство, которое будет не только контролировать сетевое напряжение, фазные токи, протекающие в обмотках АД, но и, сопоставляя оба эти параметра между собой, делать выводы о наличии той или иной аварии.
Универсальные устройства защиты АД В настоящее время попытки создать эффективную защиту предпринимаются различными производителями. Наибольшее распространение получили две идеологии: углофазовый метод, реализованный в большинстве импортных дорогостоящих устройств; контроль параметров работы двигателя по величине действующего значения тока в каждой из питающих фаз, положенный в основу отечественных устройств. Задача создания универсального защитного устройства оказалась достаточно сложной. Во-первых, ток необходимо измерять как можно точнее, ведь известно, что длительная работа АД всего лишь при 5%-ной перегрузке сокращает срок его службы в 10 раз. Во-вторых, в связи с возможной несинусоидальностью кривой тока необходимо определять действующее значение токов, включая гармонический анализ, чтобы учесть значения высших гармоник, оказывающих наиболее вредное влияние на пусковые и рабочие характеристики двигателя. Работа по пиковым значениям (длительным фронтам) или по неким усредненным суммам приводит к ложным срабатываниям. В-третьих, необходимо обеспечить отстройку от 7–8 кратных пусковых токов, одновременно обеспечив отключение двигателя даже при небольших длительных перегрузках. В-четвертых, защита должна быть «умной», т. е. время срабатывания должно зависеть от тока. В-пятых, необходимо отключать двигатель при возникновении недопустимой асимметрии токов, так как это приводит к биению ротора. В-шестых, необходимо учитывать тепло, выделяемое при пусках двигателя, т. к. при частых пусках двигатель может перегреться пусковыми токами, имея на валу нагрузку значительно ниже номинальной. Кроме всего прочего, необходимо различать виды аварий и по каждой из них принимать свое решение: можно или нельзя включать двигатель повторно. Большинство из представленных на рынке устройств до последнего времени мало чем отличались друг от друга по своим функциональным возможностям и имели общие недостатки: низкая точность выставления токов, срабатывание по максимально допустимому току, отсутствие измерения напряжения и др. Лишь совсем недавно появились недорогие отечественные устройства, в которых функции защиты реализованы не хуже, а в некоторых, по совокупности параметров, даже лучше, чем у большинства импортных аналогов, включая встроенные защиты преобразователей частоты и устройств плавного пуска. Такие устройства объединяет наличие в измерительной цепи трансформаторов тока, контролирующих рабочие токи, протекающие в обмотках статора; цифровая обработка сигнала; множество контролируемых параметров; простота конструкции. На наших предприятиях зачастую отдают предпочтение отечественным устройствам перед их, возможно более совершенными, западными собратьями. Несомненно, основная причина – цена, ведь устанавливать на каждый ответственный электропривод частотный преобразователь достаточно накладно, т. к. при больших мощностях их стоимость составляет несколько тысяч долларов. К тому же импортные защитные устройства порой не способны выдержать жесткие режимы эксплуатации: повышенная температура, влажность, низкое качество питающего напряжения, мощные электромагнитные и коммутационные возмущения, присутствующие в сети. У них усложнены схемы настройки и отладки, требуется наличие специальных знаний для их эксплуатации, которые отсутствуют у специалистов низшего звена. Цена большинства отечественных универсальных устройств не превышает несколько сот долларов, причем практически не зависит от мощности защищаемого АД. Они создавались с учетом наших условий, способны подстраиваться под реальные условия эксплуатации, при которых, согласно специфике производства, необходимо иногда загрублять или, наоборот, ослаблять режимы работы. Просты в обращении и не требуют дополнительных настроек.
Дальнейшее развитие защитных приборов видится в создании таких же качественных и недорогих отечественных устройств плавного управления пуском и регулирования скорости вращения АД, при сохранении всех функций защиты. Такие устройства должны выявлять большинство причин, ведущих к возникновению аварийных режимов: затянутые пуски, токовые перегрузки, механические перегрузки и пр., путем изменения напряжения и частоты питающей сети. Они позволят оптимизировать работу АД в различных режимах, обеспечить плавный пуск, бесступенчатое регулирование скорости, равномерное вращение двигателя в зоне перегрузок, высокие показатели эффективности (кпд и коэффициент мощности), улучшат динамику работы электропривода. Это даст возможность снизить износ механических звеньев, продлит срок службы обмоток статора и в целом АД, уменьшит энергопотребление и потребление реактивной мощности.
Регулируемый асинхронный электропривод в подъемно-транспортных механизмах это: обеспечение высокой плавности движения; возможность использования трехпериодной тахограммы двигателя (разгон - равномерное движение - торможение) с исключением дотягивания; возможность выбора оптимальной скорости равномерного движения; возможность точного позиционирования; снижение массы, габаритов и стоимости приводного асинхронного двигателя; снижение суммарного момента инерции механической системы; сокращение износа механических тормозов и т. д. Если обратится к зарубежному опыту, то можно констатировать, что для зарубежных производителей вопрос о приводе лифтов и подъемников однозначно решен в пользу регулируемого асинхронного электропривода с преобразователем частоты. Ведущие мировые производители преобразователей частоты, такие как MITSUBISHI, Schneider, LG и другие, особое внимание уделяют развитию этого сектора мирового рынка, понимая его громадные объемы и перспективность. Не удивительно, что ведущие отечественные производители лифтов и подъемников буквально завалены предложениями зарубежных производителей преобразователей. Россия с ее громадным действующим и потенциальным парком лифтов и подъемников является для них весьма лакомым куском. Но откусить от этого куска, по-настоящему, пока никому не удается. Объемы производимых в России лифтов и подъемников с регулируемым по скорости асинхронным электроприводом до смешного малы. Причин тут несколько. Во-первых, еще не полностью преодолена сила инерции сознания технических специалистов, многие из которых до сих пор считают, что регулируемый по скорости асинхронный электропривод - это не для нас: "Нам бы что-нибудь попроще, у нас электрики даже лампочки не в ту сторону вкручивают, а уж преобразователь-то … если не сломают, то украдут". Но постепенно скепсиса остается все меньше, приходит понятие, что двигаться в ногу со временем, все-таки надо, и тогда возникает второй вопрос: "А выгодно ли это?". Четкого ответа на этот вопрос с цифрами и фактами лифтовики обычно не получают. Кроме того, суммы, которые просят продавцы за преобразователи, обычно весьма чувствительны. Попробовать, правда, все согласны дать бесплатно. И лифтовики пробуют. Пробы проходят по-разному, не без проблем. Оказывается, не так все гладко и у них. Отношение отечественных производителей лифтов к управляемому асинхронному приводу в настоящий момент можно охарактеризовать как настороженный интерес. Безусловно, в будущем нам придется последовать за общемировой тенденцией: все больше и больше лифтов будет выпускаться с преобразователями частоты. К сожалению, отечественные производители преобразователей, до сих пор, не предлагали в этой области ничего.
Новая разработка НТЦ "Приводная Техника" Новый преобразователь частоты, разработанный в НТЦ "Приводная Техника", имеет шанс стать реальной альтернативой зарубежным системам. На базе данного преобразователя могут строиться приводы подъемно-транспортных механизмов с самыми жесткими требованиями к качеству движения и точности позиционирования. По своим характеристикам, таким как быстродействие, диапазон регулирования, точность позиционирования и т.п. разработанный преобразователь превосходит многих зарубежных конкурентов. Система реализует векторное регулирование скорости, используя в качестве сигнала обратной связи сигнал с фотоимпульсного датчика на валу двигателя. Математический аппарат регулирования, основан на дифференциальных уравнениях динамики асинхронного двигателя и векторных соотношениях.
Динамика привода Математическая модель асинхронного электродвигателя, используемая в данной системе, одинаково корректна как для переходных, так и для установившихся процессов. Данное обстоятельство существенно повышает динамический диапазон работы системы, что приводит, например, к отсутствию провалов скорости при скачках нагрузки (время реакции на скачок нагрузки составляет 120 мкс).
Точность отработки скорости Ниже приведена осциллограмма, полученная в процессе испытаний при отработке номинальной скорости двигателя (1500 об/мин).
Из графика следует, что неравномерность скорости вращения на номинальной скорости составляет примерно 0,05%. При понижении частоты возможно получение сверхнизких скоростей вращения, например двигатель может делать один оборот в течение получаса. При этом полностью сохраняются максимальный момент и плавность движения. Такие режимы позволяют получать очень высокую точность позиционирования. Высокая динамика и точность отработки скорости позволяют строить на базе этого привода быстрые и точные системы, например, скоростные лифты или автоматические складские комплексы.
Функциональные возможности Задание скорости, положения или момента Возможны следующие варианты задания: · задание по аналоговому входу (±10В); · цифровое задание по RS-485 (открытый протокол); · импульсное задание.
Режим ограничения момента Ограничение момента может осуществляться с помощью внешнего аналогового сигнала или по команде через последовательный порт.
Режим нулевой скорости Привод реализует режим нулевой скорости с жестким валом и максимальным моментом. Данный режим позволяет зафиксировать груз навесу в неподвижном состоянии до срабатывания электромеханического тормоза. Причем вал двигателя при этом остается неподвижным (микроперемещения вала составляют 1…2 угловые минуты).
Режим ориентации Привод может осуществлять позиционирование, используя дополнительный импульсный датчик положения.
Режим формирования циклограмм Привод позволяет пользователю формировать подпрограммы циклограмм и выполнять их по внешней команде.
Линейные и S-образные характеристики разгона/торможения Привод позволяет пользователю настраивать характеристики разгона/торможения. Рядом приведена осциллограмма реверса двигателя на номинальной скорости с максимальной плавностью движения по S-образной характеристике разгона/торможения.
Двигатель и датчик В приводе могут применяться различные типы двигателей и фотоимпульсных датчиков. Например, все вышеназванные характеристики были получены на обычном серийном общепромышленном двигателе типа АИР100S4У3, на вал которого был установлен фотоимпульсный датчик типа ЛИР-158А. Для настройки на конкретный двигатель в системе предусмотрен режим автоопределения параметров двигателя. В этом режиме система автоматически тестирует двигатель и настраивается на его параметры.
Перспективы В следующем году, когда приводы начнут серийно производиться, планируется сделать бездатчиковую модификацию привода. Это позволит расширить область возможных применений модели за счет обычных пассажирских лифтов и подъемников, не требующих столь высокой точности регулирования. Таким образом, мы стремимся выйти на рынок подъемно-транспортного оборудования с разработанными и произведенными в России асинхронными электроприводами, которые по своим характеристикам превосходят многих зарубежных конкурентов.
