Ленточный конвейер застрял. Мотор потребляет 38 ампер от цепи, рассчитанной всего на 32 ампера, в течение 90 секунд, пока кто-то идет его ремонтировать. Все цело. Автоматический выключатель и все его контакты также целы. Хотя температура катушки повышается на 40 градусов Цельсия выше предела, указанного на табличке мотора, изоляция страдает и выгорает в течение 3 недель. В этом виноват электротехник. Покупается новый мотор. Еще одна неисправность происходит в течение 3 месяцев.
Расстояние между утверждениями “потребление энергии было слишком большим” и “защита цепи сработала” — это именно то расстояние, которое генераторы были разработаны покрывать. Ситуации, связанные с этим расстоянием, являются одними из самых распространенных случаев неправильной установки и настройки элементов защиты мотора.
Согласно быстрому ответу, защита от перегрузки — это тип обратного времени срабатывания, который защищает мотор от длительного тока выше его номинального рабочего предела, но ниже значения короткого замыкания. Такая защита обеспечивается тепловым реле перегрузки, электронным реле перегрузки, моторным защитным автоматом или тепловым элементом, присутствующим внутри автоматического выключателя в литом корпусе. Временные характеристики определяются стандартом IEC 60947-4-1 с использованием классов 10A, 10, 20 и 30, а верхний предел настройки определяется NEC 430.32. Компания HUYU производит электромагнитные пускатели ExQ7, контакторы ExC7 и автоматические выключатели в литом корпусе ExM3 для выполнения этой функции при пуске мотора.
Что покрывает защита от перегрузки и что не покрывает
Существует три типа неисправностей, которые часто путают. Короткое замыкание — это мгновенная неисправность с током короткого замыкания, измеряемым в килоамперах и длящимся всего миллисекунды. Замыкание на землю происходит, когда ток неисправности уходит на землю и устраняется с помощью УЗО или GFCI. Перегрузка находится между этими двумя категориями; она происходит, когда ток немного превышает норму в течение длительного времени.
Однако различия гораздо меньше, чем думают люди. Мотор на 32 А, работающий при 36 А, перегружен на 12,5 %, что приемлемо в жаркий летний день, но если тот же мотор работает при 45 А, обмотка будет страдать от перегрева. Случай работы при 200 А означал бы, что магнитная защита должна сработать менее чем за 20 миллисекунд.
Из-за этого защита от перегрузки должна работать заметно медленнее. Основанная на тепле, а не только на токе, она означает, что если устройство срабатывает через две секунды при достижении 1,5-кратного номинального тока, оно будет выходить из строя при каждом запуске устройства. Оно должно выдерживать время пуска, одновременно распознавая перегрев.
Как происходит срабатывание
Тепловое реле сконструировано таким образом, что содержит два металлических компонента с разной способностью к расширению. Например, изгиб позволяет достичь заданного порога для срабатывания механизма мгновенного действия, если изгиб превышает определенный уровень.
В дополнение к этому, второй биметалл, нагреваемый окружающей температурой, нагревает другой, который отвечает за работу двигателя. В случае отсутствия циркуляции воздуха в корпусе при температуре 50°C, реле может срабатывать нежелательно всё лето или поздней зимой.
Современные электронные реле используют трансформаторы и микроконтроллеры для обеспечения истинных значений RMS путем выборки. Они также способны добавлять такие функции, как тепловая память и обнаружение потери фазы, а также регулируемый класс срабатывания и, очень часто, выход 4–20 мА. В комплектном пускателе реле крепится непосредственно под контактором и подключается через тот же блок перегрузки, что и у HUYU’s EXQ7 электромагнитный пускатель объединяет контактор с элементом перегрузки в одном узле вместо двух отдельных изделий на DIN-рейке.
Класс срабатывания определяет время
Номер класса определяется в IEC 60947-4-1 как максимальное время срабатывания в секундах при коэффициенте 7,2 от тока срабатывания в теплом состоянии. Тот же стандарт устанавливает верхний предел 1,05, при котором реле не должно срабатывать, и нижний предел 1,2, при котором реле должно сработать не более чем за два часа.
| Класс | Время срабатывания при 7,2 × уставке (холодное) | Максимальное время срабатывания при 1,5 × (теплое) | Типовая нагрузка |
|---|---|---|---|
| 10А | 2–10 с | 120 с | Герметичные компрессоры, режим горячего перезапуска |
| 10 | 4–10 с | 240 с | Стандартные двигатели IEC, насосы и вентиляторы с частотным регулированием |
| 20 | 6–20 с | 480 с | Двигатели NEMA Design B, нагруженные конвейеры, компрессоры |
| 30 | 9–30 с | 720 с | Дробилки, центрифуги, мельницы, вентиляторы с высокой инерцией |
Выбор класса всегда определяется временем запуска и не зависит от личных предпочтений. Насос, получающий класс 10, правильно классифицирован, если он достигает полной скорости всего за три секунды. Напротив, центробежный вентилятор мощностью 200 кВт, который достигает максимальной скорости за 25 секунд, потребует класс 30, чтобы реле не сработало при нормальном запуске, и оператору потребуется повернуть регулятор для отключения системы защиты.
Эта логика применима к случаям с защитными устройствами двигателя и автоматическими выключателями. Эти устройства не могут использоваться взаимозаменяемо в пускателях. Существуют защитные устройства двигателя, работающие только по магнитному принципу и не имеющие встроенного теплового элемента, что означает отсутствие тепловой защиты. Различия изложены в этом сравнении защитного устройства двигателя и автоматического выключателя, и они важны при заказе пускателя по спецификации, составленной другим человеком.
Четыре устройства, выполняющие эту функцию
| Устройство | Элемент перегрузки | Номинал короткого замыкания | Сброс | Лучшее применение |
|---|---|---|---|---|
| Тепловое реле перегрузки | Биметалл, обратное время | Отсутствует, требуется резервирование | Ручной или автоматический | Стандартные пускатели, двигатели IEC |
| Электронное реле перегрузки | Трансформатор тока плюс прошивка | Отсутствует, требуется резервирование | Ручной, дистанционный или автоматический | Критические нагрузки, частотные преобразователи, дистанционный сброс |
| Автоматический выключатель защиты двигателя | Биметалл или гидравлическо-магнитный | Включен, обычно 50–100 кА при 400 В | Ручной рычаг | Однофазный компактный пускатель, локальная изоляция |
| Автоматический выключатель в литом корпусе с тепловым и магнитным расцепителем | Биметалл плюс магнитный | В комплекте, 25–150 кА | Ручной переключатель | Линии питания, крупные двигатели, комбинированные пускатели |
Что отсутствует в таблице? Нет ни одного из этих четырёх вариантов, который был бы лучше другого. Тепловое реле контролирует $25 и выполняет одну функцию без версионирования прошивки. Автоматический выключатель защиты двигателя стоит в три раза дороже теплового реле и исключает компонент обнаружения короткого замыкания, а также проводку. Всё это приводит к уменьшению размеров щитов и упрощению сборки для проекта с двигателем 500.
Как устройства отличаются на практике
Тепловые реле ненадёжны. Биметалл изнашивается, и калибровка может измениться на несколько процентов за десять лет. Например, когда реле было новым, предел составлял 1,15, но после 8 лет в горячей среде шкафа он, вероятно, изменится до 1,30. Обычно тепловое реле проверяют раз в год, подавая ток в 1,5 раза больше номинального. Эта проверка занимает около десяти минут на реле при наличии соответствующего тестового устройства.
Электронные реле гораздо лучше сохраняют калибровку и предлагают дополнительные функции, решающие реальные задачи. Функция тепловой памяти электронных реле предотвращает цикл повторного запуска, который повреждает обмотки. Возможность обнаружения пропадания фазы позволяет электронным реле фиксировать наиболее вредную перегрузку для двигателя, так как при отключении двух фаз двигатель потребляет примерно в 1,7–2 раза больше мощности на оставшихся обмотках, в то время как третья не активна, и простое трёхбиметаллическое реле будет слишком медленным, поскольку нагреваются только 2 элемента.
Что касается контакторов, нет смысла опережать реле, если контактор не выдержит нагрузку. Контактор HUYU EXC7 AC рассчитан на работу с двигателями по категории использования AC-3, указанной на табличке, и соответствие этой категории реальной задаче коммутации важнее, чем соответствие амперному рейтингу, который чаще всего сравнивают покупатели.
Соответствие устройства нагрузке
Вентиляторы и насосные системы, которые запускаются без нагрузки, — простой случай; класс 10, номинальный ток по табличке (FLA) с использованием компенсации окружающей температуры достаточно.
Конвейеры и винтовые компрессоры работают под нагрузкой, но запускаются против момента. Класс 20 применим для двигателя NEMA с коэффициентом обслуживания 1,15. В этом случае настройка производится по номинальному току таблички при работе двигателя под нагрузкой в нормальном режиме.
Погружные насосы, герметичные холодильные компрессоры и все системы с приводом через частотный преобразователь (VFD) запускаются с классом 10 или 10A. VFD ограничивает пусковой ток, что позволяет реле защиты от перегрузки работать против медленного теплового события, а не пуска; более быстрый класс обеспечивает лучшую защиту обмоток без ложных срабатываний.
Дробилки, мельницы и крупные вентиляторы с индуктивным дутьём имеют значительную вращающуюся массу, поэтому для разгона требуется от 20 до 60 секунд. Класс 30 существует для таких процессов. Когда нагрузка действительно настолько велика, режим отказа, на который следует обращать внимание, — это не срабатывание, а контактор, удерживающий застрявший двигатель при токе блокировки ротора в течение минуты, и симптомы такого злоупотребления проявляются задолго до выхода двигателя из строя, как описано в этом руководстве по симптомам отказа контактора .
Установка шкалы: важные цифры
NEC 430.32 ограничивает настройки перегрузки до 125% от номинального тока полной нагрузки двигателя для двигателей с температурным повышением 40°C или менее либо с коэффициентом обслуживания 1,15 и выше. В противном случае предел устанавливается на уровне 115%. Согласно таблице 430.32(A)(1), могут использоваться значения 140% и 130% соответственно, если двигатель не запускается при более низкой настройке.
Устанавливайте шкалу на номинальный ток двигателя, а не на ток срабатывания или пропускную способность. Реле на 7,5–11 А, установленное на 10 А, не сработает при 10,5 А, но сработает при 12 А в течение двух часов. Например, если клещевой амперметр показывает рабочий ток 9,6 А, настройка корректна и не требует изменений. Если показание 10,8 А, что указывает на проблему с нагрузкой, простое увеличение шкалы до 12 А приведёт к дальнейшим осложнениям.
Настройка для температуры окружающей среды занимает второе место. Компенсированное реле может работать в диапазоне от −20°C до +60°C без регулировки. Некомпенсированное реле, установленное рядом с контактором на 300 А, было бы настроено на 10% ниже, и компенсационные корректировки выполнялись бы простым поворотом шкалы вверх, что не является правильным способом корректировки настройки.
Ошибки, которые нарушают защиту
Частая ошибка — использование слишком большого нагревателя. Когда реле, предназначенное для двигателя с потреблением 40 А, работает с устройством, требующим 32 А, оно функционирует на 80% от правильного уровня и не отключается, что означает отсутствие защиты до тех пор, пока не сгорит катушка привода.
Другая проблема — использование самосбрасывающихся устройств для удалённого оборудования. Хотя использование таких устройств на насосе, который отключается раз в сезон, приемлемо, их срабатывание каждые 90 секунд при заедании конвейера усугубляет ситуацию больше, чем сама заедание.
Кроме того, часто при установке обходят контакты 95–96, потому что стартер не фиксируется в положении, и после этого его даже не включают обратно. Хотя реле было правильно откалибровано, оно больше не работает должным образом. Рекомендуется периодически проверять систему, чтобы убедиться, что защита от перегрузки не подключена к неисправной катушке, а также не будет лишним проверить систему с помощью измерительного прибора.
Часто задаваемые вопросы
Является ли защита от перегрузки тем же, что и ограничитель перенапряжения?
Нет, и их нельзя использовать взаимозаменяемо. Устройство защиты от перенапряжения фиксирует кратковременный скачок напряжения, который происходит за микросекунды, и не реагирует на ток вообще. Защита от перегрузки срабатывает после воздействия устойчивого сверхтока в течение секунд или минут. Панель может и обычно требует оба устройства, и то, как они взаимодействуют на вводе питания, рассматривается в сравнении автоматического выключателя и устройства защиты от перенапряжения.
Какова самая простая форма защиты от перегрузки?
Тепловое реле перегрузки состоит из биметаллического элемента, который подключен последовательно с катушкой контактора через контакт 95-96. Есть по два провода для входа и выхода, а также ручка настройки тока и кнопка ручного сброса. Оно не требует дополнительного источника питания или настройки, поэтому продолжает оставаться первым выбором для универсальных пускателей.
Что означает “нет защиты от перегрузки”?
Это означает, что цепь защищена только от коротких замыканий и замыканий на землю. Магнитный автомат или группа предохранителей будут поддерживать работу двигателя при 150% от номинального тока непрерывно, поскольку 150% значительно ниже точки срабатывания магнитного расцепителя. К сожалению, двигатель выйдет из строя, но это произойдет из-за теплового перегрева, а не внезапно.
Что делает устройство защиты от перегрузки?
Оно контролирует электрический ток, имитирует тепло, генерируемое в обмотке цепи электродвигателя, и отключает цепь управления, когда тепло превышает предел обмотки. Выходное действие не включает срабатывание главных контактов, а только отключение катушки контактора, поэтому контакт перегрузки подключен в цепь управления, а не в силовую цепь.
Ссылки
- ABB — Портфель пускателей и защиты двигателей
- Rockwell Automation — Управление двигателями Allen-Bradley
- NFPA 70 — Национальный электротехнический кодекс, статья 430
- UL 508 — Промышленное контрольное оборудование
- Electrical Engineering Portal — Справочник по защите двигателей
Заключение
Тепловая защита от перегрузки считается аппаратным компонентом. Устройство должно выдерживать пусковой ток 600% и реагировать на рост нагрузки более чем на 40% выше нормы в течение секунд. Номер класса указывает на выдержку устройства, а шкала тока показывает, что считается нормой, при этом NEC 430.32 указывает верхние пределы для обоих параметров.
Если эти три параметра верны, устройство почти не имеет значения. Однако если эти три параметра неверны, даже самое дорогое реле не защитит, что является ситуацией, которая не должна возникать на схемах, даже если панель полностью оснащена правильно подобранными и настроенными контактами 95–96.
