Лекція 19 Захист у схемах керування електроприводами
Захист необхідний для запобігання пошкодження електроустаткування та усунення подальшого розвитку ушкодження, яке виникло. Пристрої захисту встановлюються як у силових електричних колах, так і в колах керування. Основними видами захистів в електроприводі є: захист від короткого замикання, що запобігає розвитку пошкодження, яке викликано струмом короткого замикання в силовому колі або колі керування; максимальний захист, який спрацьовує навіть при короткочасному перевищенні струмом встановленого значення; захист двигунів від перевантаження струмом, який тривало перевищує його номінальне значення; захист від самозапуску двигунів або нульовий захист від небажаних наслідків зникнення та наступного відновлення напруги в електричній мережі; захист при обриві кола обмотки збудження двигуна; захист від перенапруги, яка виникає в електричних колах; захист від випадіння синхронних двигунів із синхронізму. До захисту відноситься блокування від одночасного вмикання реверсивних і гальмівних контакторів, а також контакторів, які дозволяють отримати визначену послідовність дій у схемах керування та узгодити роботу окремих електроприводів.
Захист від короткого замикання та максимальний захист. Забезпечує негайне відключення кола, в якому відбулося коротке замикання або надмірне збільшення струму. При коротких замиканнях захист здійснюється за допомогою плавких запобіжників (рис. 10.11, а) або автоматичних вимикачів з електромагнітними розчіплювачами (рис. 10.11, б). Максимальний струмовий захист здійснюється на реле максимального струму (рис. 10.11, е). Струмові котушки цих реле вмикаються в дві фази трифазних двигунів, в один або два полюси двигунів постійного струму до головних контактів контакторів. При цьому перекриття струмом силових контактів реле забезпечують захист мережі живлення. Контакти максимальних струмових реле відключають кола керування апаратів, які подають або забезпечують подачу напруги на пошкоджену частину схеми. Кола керування при коротких замиканнях у багатьох випадках мають окремий захист плавкими запобіжниками або автоматичними вимикачами (рис. 10.11, г).
Для захисту силового кола номінальний струм плавкої вставки Iвст і струм уставки Iуст (струм спрацьовування) автоматичних вимикачів і максимальних струмових реле визначаються наступними формулами:
для двигунів постійного струму та асинхронних двигунів з фазним ротором при тривалому або короткочасному режиму (ТВ = 25%) з початковим пусковим струмом Iпуск
де Iном — номінальний струм двигуна;
для асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором при нормальному пуску (tр < 5 с)
при важкому пуску (tр < 10 с) або великій частоті вмикань
незалежно від умов пуску
Рисунок 10.11 – Схеми захисту від коротких замикань
Рисунок 10.12 – Схема захисту Рисунок 10.13 – Схеми захисту
від роботи двигуна на двох фазах двигунів від перевантаження
Для захисту кіл керування
де 
— сумарний струм найбільшої кількості котушок одночасно увімкнених апаратів.
Захист плавкими запобіжниками трифазного силового кола двигуна має істотний недолік — при перегорянні однієї з вставок двигун буде працювати на двох фазах, а це призведе до його перегрівання. Такого недоліку не має захист автоматичними вимикачами, коли при їхньому спрацьовуванні відключаються всі три фази напруги живлення. Для захисту двигуна від роботи на двох фазах у поєднанні з запобіжниками в схему вмикають спеціальне реле, яке контролює обрив фаз і подає команду на його відключення (рис. 10.12).
Реле обриву фаз KV1 (реле напруги) вмикають між нейтраллю обмотки статора і заземленим нульовим проводом мережі. При симетричному (трифазному) режимі роботи двигуна напруга на котушці KV1 дорівнює нулю. При обриві або відсутності однієї з фаз на обмотці статора напруга між нейтраллю двигуна і нульовим проводом стає достатньою для спрацьовування реле. Напруга спрацьовування реле KV1 повинна бути 10 — 30 % від номінальної фазної напруги мережі.
Захист двигунів від перевантаження струмом. Цей захист запобігає перегріванню двигунів при тривалому режимі роботи. Для цього в коло трифазного двигуна вмикають два однополюсних або одне двофазне теплове реле. Для двигуна постійного струму досить одного реле. Теплові елементи (нагрівачі) цих реле вмикають у коло двигуна безпосередньо або через трансформатори струму, як правило, після головних контактів контакторів (рис. 10.13). Контакти теплових реле вводять у кола котушок апаратів, які відключають.
Захист від перевантаження здійснюється також автоматичними вимикачами з тепловими розчіплювачами. Захист від перевантажень двигуна з тепловими реле або тепловими розчіплювачами автоматичних вимикачів на короткочасне перевищення струму не реагує через наявність теплової інерції. При повторно-короткочасному режимі захист від перевантаження виконується за допомогою двох реле максимального струму (рис. 10.11, в). Щоб усунути можливість відключення двигуна від пускових струмів, контакти струмових реле на час пуску вмикаються послідовно з контактами реле часу, які розмикають коло вимикального апарата. Застосування двох теплових реле або реле максимального струму дозволяє забезпечити захист асинхронних двигунів від роботи на двох фазах.
Номінальний струм теплового елемента реле Iт.е або теплового розчіплювача автоматичного вимикача Iуст.т вибирають з умови, що номінальний струм двигуна Iном повинен дорівнювати або бути трохи менше Iт.е або Iуст.т:
.
Більш чутливий захист двигунів від перевантаження здійснюється терморезисторами, які вбудовуються між витками обмотки статора. Вузол схеми такого температурного захисту наведений на рис. 9.9. Контакти виконавчого реле, як і в попередніх випадках, вмикають у коло котушки апарату, який відключає двигун.
Захист від самозапуску двигунів або нульовий захист. При зникненні напруги в мережі або його надмірному зниженні цей захист відключає двигун, а з появою напруги запобігає його мимовільному вмиканню. При кнопковому керуванні двигуном за схемами, наведеними на рис. 10.1 і 10.2, такий захист здійснюють лінійний контактор КМ1 або контактори напрямку обертання КМ1, КМ2. У цих схемах після відключення контакторів вмикальний блок-контакт КМ1 або КМ2, який увімкнений паралельно пусковим кнопкам SB1, з появою напруги на схемі не дозволяє вмикатися контакторам, залишаючи коло вмикання котушок розімкненим.
При керуванні електроприводом за допомогою командоконтролерів або перемикачів з фіксованими положеннями нульовий захист виконується на реле напруги KV1 (рис. 10.14). Це реле вмикається у початковому (нульовому) положенні командоконтролера SA1, коли контакт SA1.0 замкнений, стає на саможивлення і через вмикальний контакт створює коло живлення контакторів КМ1, КМ2 та інших апаратів. При спрацьовуванні захисту для вмикання KV1 необхідно командоконтролер поставити у вихідне положення «0». У коло котушки реле KV1 вмикаються контакти інших захисних апаратів і пристроїв (контакти реле максимального струму, теплових реле тощо).
Захист при обриві кола обмотки збудження (захист при обриві магнітного поля). Застосовується для двигуна постійного струму і синхронного двигуна та виконується на реле мінімального струму.
Котушка реле обриву поля КА1 вмикається послідовно з обмоткою збудження (рис. 10.15). При наявності збудження контакт реле замкнений і через нього отримує живлення коло керування електроприводом. У випадку обриву кола збудження якір реле відпадає і коло керування двигуном знеструмлюється.
Реле КА1 має невелику витримку часу при відключенні, що запобігає відключенню двигуна при випадкових короткочасних коливаннях струму збудження.
Рисунок 10.14 – Схема нульового Рисунок 10.15 – Схеми захисту
блокування або захисту від самозапуску при обриві кола збудження двигуна
двигуна
Захист від перенапруги. Виконується на реле максимальної напруги, котушка якого вмикається у вимірювальне електричне коло. Необхідність у цьому виникає при живленні електроприводів від окремих генераторів або перетворювачів. Реле максимальної напруги подає відповідну команду в коло регулювання напруги.
Захист від перенапруги на обмотці збудження при знятті живлення здійснюється розрядним резистором R, який вмикається паралельно обмотці збудження (рис. 10.15). Опір резистора приймають рівним (6 ¸ 8) RОЗМ при напрузі 220 В та (3 ¸ 5) RОЗМ при напрузі 110 В. Для усунення зайвих втрат енергії в розрядному резисторі при роботі двигуна послідовно з резистором вмикають діод VD назустріч позитивному полюсу живлення ОЗМ. Наведена при відключенні обмотки збудження ЕРС буде мати протилежну напрузі полярність і через діод буде протікати струм. Напруга на обмотці ОЗМ виявиться в межах допустимого значення.
У синхронних двигунів розрядний опір R вмикається вимикальним контактом контактора живлення КМ2 (котушка КМ2 на схемі не показана) при відключенні напруги живлення обмотки збудження.
Рисунок 10.16 – Схеми захисту від випадіння двигуна із синхронізму
Захист від випадання синхронних двигунів із синхронізму. Виконується на реле мінімальної напруги KV1 і контактора форсування збудження КM2 (рис. 10.16).
Котушка реле KV1 вмикається на лінійну напругу мережі та тримає вимикальний контакт у колі контакторів розімкненим. При різкій зміні навантаження на валу двигуна або через інші будь-які причини, напруга в мережі може знизитися до недопустимого значення. Для того, щоб зберегти перевантажувальну здатність двигуна, необхідно збільшити його збудження. Це здійснюється контактором КМ2, який шунтує після спрацьовування KV1 опір R у колі обмотки збудження збуджувача G. Напруга збуджувача підвищується, зростає струм збудження двигуна і його максимальний момент. За рахунок цього двигун надійно утримується в синхронізмі.
Електричне блокування. В схемах автоматичного керування електроприводами поряд із захисними пристроями широко використовуються електричне та механічне блокування, що забезпечує надійну роботу електричних апаратів та всієї системи електропривода. Завдяки передбаченому блокуванню усуваються пошкодження механізмів або їх окремих частин, які працюють узгоджено, і усувається ненормальність роботи електроприводів у результаті неправильних дій операторів. Для реверсивних лінійних і гальмівних контакторів, які ніколи не повинні вмикатися одночасно, передбачається механічне блокування.
Схеми блокування розглянуті в лекції 18 і представлені на рис. 10.14, на якому послідовність роботи реверсивних контакторів КМ1 і КМ2 забезпечується командоконтролером SA2 тому, що контакти SA2.1 і SA2.2 замикаються в різних положеннях рукоятки переключення.
Блокування, яке забезпечує послідовність вмикання електроприводів, виключає можливість запуску двигунів в іншій послідовності, крім тієї, яка зазначена на рис. 10.17 стрілкою. Це пояснюється тим, що котушка контактора КМ2 отримує живлення тільки після увімкнення контактора КМ1. Відключення двигунів відбувається в такій же послідовності, як і пуск. Спочатку відключається КМ1, а потім КМ2, навіть якщо натиснути першою кнопку SB2, або спрацює захисне реле KK2.
Рисунок 10.17 – Схема електричного блокування для дотримання визначеної послідовності вмикання та відключення двигунів
Блокування від переходу робочими механізмами заданого шляху здійснюється за допомогою кінцевих вимикачів (див. рис. 10.9), коли після спрацьовування будь-якого кінцевого вимикача (SQ3 або SQ4) рух механізму можливий тільки в зворотному напрямку.