SIEMENS - термозависимые защитные устройства
Предпосылкой хорошей защиты двигателя является выбор правильного сенсора, его надлежащая установка в обмотку двигателя и использование соответствующего расцепителя.
Чувствительный элемент определяет вид расцепителя.
Тепловые сенсоры - это полупроводниковые сопротивления, которые изменяют свое сопротивление в зависимости от температуры. Различают терморезисторы с положительным и отрицательным температурным коэффициентом (рис. 1).
Рис. 1. Характеристика сопротивления термореле, работающих на принципе деформации биметаллической пластины
Терморезисторы с положительным температурным коэффициентом (РТС)
Для защиты двигателей переменного тока в зависимости от температуры чаще всего используются терморезисторы с положительным температурным коэффициентом, так называемые РТС. Эти РТС характеризуются сильным повышением сопротивления в диапазоне номинальных температур срабатывания (рис. 2). Это скачкообразное изменение сопротивления преобразуется в связанном с ним расцепителе (к примеру, 3UN21) в команду, которая используется для отключения двигателя. Номинальная температура срабатывания сенсора зависит от класса изоляции двигателя. Терморезисторы с положительным температурным коэффициентом устанавливаются преимущественно в двигателях серийного изготовления, для которых допустимые значения предельной температуры и точная тепловая характеристика определены еще до изготовления двигателя.
Рис. 2. TNF номинальная температура срабатывания. Х1 диапазон срабатывания по VDE (расцепители 3UN2: от 2800 до 3000W). Х2 диапазон отключения по VDE (расцепители 3UN2: от 1650 до 1500W). Х3 диапазон расцепления при определении короткого замыкания в контуре температурного сенсора
Биметаллические сенсоры
Наряду с полупроводниковыми сопротивлениями, которые меняют свое сопротивление в зависимости от температуры, для более простых задач используются так называемые биметаллические сенсоры. Они открывают и замыкают контакт при заданной температуре срабатывания. Эти биметаллические выключатели, также как и полупроводниковые датчики, устанавливаются в обмотках статора. Хоть они работают и не так точно, но могут использоваться с термисторными расцепителями без определения короткого замыкания в контуре чувствительных элементов.
Сенсоры KTY
Эти полупроводниковые температурные сенсоры имеют возрастающую температурную характеристику без скачкообразной функции. Они дают возможность измерения температуры обмотки.
Прежде всего, их можно найти в приводах с регулированием числа оборотов. Датчики KTY соединяются с входами частотных преобразователей.
Установка терморезисторов с положительным температурным коэффициентом
Терморезисторы с положительным температурным коэффициентом устанавливаются в обмотку статора.
Рис. 3. Терморезистор и обмотка двигателя переменного тока в разрезе. 1 – терморезистор, 2 – места пайки, 3 – изоляция терморезистора, 4 – изоляция обмотки, 5 – подсоединительные провода, 6 – проволока обмотки, 7 – изоляция проволоки
На рис. 3 показан в разрезе один терморезистор, встроенный в обмотку.
Для обеспечения хорошей теплопередачи важно правильно разместить сенсор в обмотке. Это будет гарантией того, что при повышении температуры обмотки номинальная температура срабатывания сенсора будет достигнута в течение достаточно короткого времени, прежде чем наступит критическое состояние двигателя. Это относится, в первую очередь, к таким рабочим условиям, как тяжелый разгон двигателей со временем разгона свыше 10 сек, однофазный режим работы, токовая ассимметрия, блокировка двигателя, выход из строя охлаждения, повторно-кратковременный режим работы, высокая частота коммутаций к приводам с регулируемым числом оборотов. Как правило, температурные сенсоры в двигателе подключаются последовательно и выводятся на клеммник двигателя. Количество последовательно соединенных терморезисторов с положительным температурным коэффициентом определяется суммарным сопротивлением в холодном состоянии всех подключенных терморезисторов. Например, для расцепителей 3UN2 оно составляет <1,5k Ом.
Расцепители «типа А» и сенсоры
Условием эффективной работы защиты двигателя в зависимости от температуры является определение соответствующих данных для интерфейса между терморезисторами с положительным температурным коэффициентом и расцепителями. Поэтому общие требования и возможности применения температурных сенсоров и расцепителей изложены в стандарте DIN VDE 0660, часть 302/ 02.87 (IEC 34-11-2, раздел 1). Параметры взаимодействия терморезисторов с положительным температурным коэффициентом и расцепителями отражены в стандарте DIN VDE 0660, часть 302/02.87 (IEC 34-11-2, раздел 2). В соответствии с этими нормами, терморезисторы с положительным температурным коэффициентом должны, что касается номинальной температуры срабатывания, иметь соответствующую рисунку 2 характеристику соотношения сопротивления и температуры.
Для нормальной работы двигателя для расцепителей установлены следующие условия работы, если в месте подключения температурного датчика отмечается переменное сопротивление:
• при значении сопротивления <750 ом они должны включаться и отключаться.
• при повышении сопротивления они должны отключаться, если значение сопротивления находится в диапазоне между 1650 и 4000 ом (см. рис.2).
• при понижении сопротивления в цепи датчиков от 1650 до 750 ом они должны включаться и отключаться (см. рис. 2).
• при подключении сопротивления в 4000 ом и при работе расцепителя с номинальным напряжением напряжение подсоединяемого сенсора не должно превышать 7,5 В.
• при подключении емкости до 0,2 µF не должно происходить заметного изменения рабочих значений прибора расцепителя.
Если эти критерии для терморезисторов с положительным температурным коэффициентом и соответствующих расцепителей выполняются, то они могут быть классифицированы в соответствии со стандартом DIN VDE 0660 как относящиеся к типу «А». Определение параметров позволяет пользователю самостоятельно производить замену расцепителей для двигателя, защищенного терморезисторами с положительным температурным коэффициентом.
Терморезисторный расцепитель 3UN2
Терморезисторные расцепители 3UN21 с установочной шириной 22,5 мм и 3UN22 для 2-х или 3UN26 для 6-ти терморезисторов с поло жительным температурным коэффициентом и с установочной шириной 45 мм дают пользователю весьма компактную систему управления. Маркировка подключений по стандарту DIN EN 50005, схемы электрических соединений, нанесенные на передней стороне прибора, и свободный доступ к винтовым зажимам облегчают работу с прибором при монтаже и техобслуживании. Уже на стадии проектирования путем выбора соответствующей функции сброса может быть определен объем контроля схемы терморезистора или характеристика расцепителя после срабатывания (рис. 4). Кроме этих приборов, имеются виды исполнения с различными вспомогательными контактами (1 переключающий контакт, 1 замыкающий + 1 размыкающий контакт и 2 переключающих контакта). В случае исчезновения управляющего напряжения следует учитывать различные характеристики расцепителей. Расцепители 3UN2 работают как с терморезисторами типа А по стандарту DIN VDE 0660, часть 303, так и с терморезисторами по стандартам DIN 44080/44081/44082.
При последовательном соединении более, чем 3-х терморезисторов это необходимо, к примеру, при защите двигателя с переключаемыми полюсами с двумя отдельными обмотками; гарантируется исправная работа схемы вплоть до суммарного сопротивления в холодном состоянии 1,5Щ.
Интегрированная защита от помех и контроль схемы терморезистора повышают надежность работы двигателя
При использовании терморезисторных расцепителей провода датчика зачастую проходят в непосредственной близости к сильноточным проводам. Иногда это приводит к ситуации, когда индуктивные или емкостные наводки вызывают помехи в измерительном контуре. Схема защиты датчиков в расцепителе 3UN2 подавляет такие сигналы помехи, и провода терморезисторов не требуют дорогого экранирования.
Испытание схемы защиты от помех соответствует условиям издания IEC 801 «Электромагнитная совместимость измерительных, управляющих и регулирующих устройств в промышленной технике, часть 1-4». Так, например, испытания в условиях быстрых, постоянно появляющихся в течение определенного интервала времени импульсов помех показывают, что расцепители отвечают критерию остроты 4. Это соответствует помехоустойчивости до 4 кВ для питающих проводов и до 2 кВ для сигнальных и управляющих проводов.
Все расцепители работают по принципу тока покоя и осуществляют самоконтроль на обрыв проводов в цепи терморезисторов. Расцепители 3UN2131 оснащены схемой определения короткого замыкания (KSE) в цепи терморезисторов. Эта схема отключает двигатель при падении сопротивления в цепи терморезисторов ниже значения 20ом. Тем самым определяется короткое замыкание, к примеру, в проводе терморезистора.
Свойства расцепителя при исчезновении питающего напряжения
Провалы управляющего напряжения, которые могут возникать в распредустройстве при отключении из-за короткого замыкания или при включении крупных двигателей и трансформаторов, не оказывают влияния на срабатывание расцепителей. Ложные срабатывания могут быть исключены благодаря функции защиты от кратковременно исчезающего напряжения длительностью до 200 мсек.
Для более длительных провалов управляющего напряжения расцепитель может иметь другие характеристики в зависимости от исполнения. Различают между:
• расцепителями, которые при исчезновении управляющего напряжения более, чем на 200 мсек, переходят в положение «отключено» и при появлении напряжения вновь принимают первоначальное состояние, как было до исчезновения управляющего напряжения. Эти приборы используются в распредустройствах, где отсутствует контроль управляющего напряжения, и
• расцепителями, которые при исчезновении управляющего напряжения не меняют своего состояния. Только при тепловой перегрузке двигателя вследствие обрыва провода и короткого замыкания в цепи терморезисторов при наличии управляющего напряжения происходит изменение состояния вспомогательных контактов. Эти приборы используются там, где отдельно контролируется управляющее напряжение.
В расцепителях с ручным сбросом состояние «отключено» запоминается. При исчезновении управляющего напряжения состояние отключения сохраняется. Только после охлаждения двигателя происходит сброс состояния прибора при нажатии на кнопку Test/Reset на приборе или при использовании схемы «дистанционный сброс» в расцепителях 3UN2131, 3UN22 и 3UN26 (см. рис.4), к примеру, с главного щита управления. При закорачивании контактов дистанционного сброса перемычкой этот процесс происходит автоматически после охлаждения обмотки двигателя.
Рис. 4. Термисторные приборы защиты двигателя 3UN2
Использование терморезисторных расцепителей
Тепловая защита двигателя с помощью терморезисторных расцепителей главным образом применяется там, где невозможно обеспечить защиту с помощью токозависимых реле перегрузки. В таких случаях этот аппарат становится единственной защитой двигателя, либо в особо ответственных случаях он используется в сочетании с реле перегрузки. Терморезисторные расцепители принимают на себя преимущественно функции защиты двигателя от перегрузки в следующих случаях:
• при продолжительном и повторнократковременном режимах работы
• при тяжелом разгоне
• при высокой частоте коммутаций
• при однофазной работе и асимметрии тока, а также
• при недостаточном охлаждении.
Однако, защита двигателей от короткого замыкания должна быть обеспечена установкой предохранителей или силовых автоматов.
Двигатели с критичными статорами и роторами
Требуемый объем защиты с использованием терморезисторных расцепителей зависит от того, что является более уязвимым в двигателе - статор или ротор. В двигателях переменного тока с критичным статором, например, в двигателях «Siemens» типа 1LA5 с диапазоном мощности до 15 кВт, допустимая предельная температура обмотки статора в блокированном состоянии увеличивается быстрее, чем ротора. Так как повышение температуры своевременно определяется встроенными в статоре температурными датчиками, то это гарантирует, что ротор не перегреется. В этом случае терморезисторного расцепителя будет вполне достаточно для обеспечения полной тепловой защиты двигателя.
Двигатели большой мощности в целом являются уязвимыми со стороны ротора. В этом случае заклиненный ротор достигает предельной температуры быстрее, чем статор, в то время, как встроенные в статор температурные датчики достигают номинальной температуры срабатывания TNF с запозданием.
Дополнительное использование трехполюсного реле перегрузки или реле защиты двигателя 3RB12 повышает качество защиты, особенно при включении с заклиненным ротором из холодного состояния (см. таблицу 1). Реле перегрузки настраивается на номинальный ток двигателя и при этом берет на себя защиту проводов подключения двигателя.
Защита взрывозащищенных двигателей
Двигатели со степенью защиты «Повышенная надежность против взрыва» ЕЕх е должны сертифицироваться Федеральным физико-техническим институтом (РТВ). Если защитные функции должны быть реализованы на терморезисторах с положительным температурным коэффициентом, то двигатели, включая терморезисторы, должны пройти типовые испытания по стандарту VDE 0171 с выдачей сертификата. Для этого РТВ разработал протокол испытаний для определенного типа двигателей. В данном протоколе регламентируются испытания терморезисторов с положительным температурным коэффициентом и расцепителей.
Наряду с двигателями, испытаниям РТВ подвергаются также терморезисторные расцепители и температурные датчики. После этого расцепители получают единый знак проверки. Расцепители 3UN2 для защиты двигателей переменного тока имеют протокол испытаний РТВ.
Если вместе с аттестованным институтом РТВ двигателем применяются терморезисторы с положительным температурным коэффициентом и расцепители, то для реле перегрузки протокол испытаний не требуется. Следует учитывать отдельные предписания для механизмов по стандарту DIN VDE 0165, раздел 6.1.4. Однако, если согласно протоколу испытаний на двигателе в качестве защиты используются реле перегрузки с тепловой задержкой и с чувствительными элементами от обрыва фазы, то дополнительные терморезисторные расцепители могут использоваться без контрольной маркировки РТВ.
***