4.2. УЧЕТ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПРИ РАСЧЕТАХ ЗАЩИТ ОТ К.З. И ПЕРЕГРУЗКИ.
ПРОВЕРКА СЕТИ НАПРЯЖЕНИЕМ 380 В ПО УСЛОВИЯМ УСПЕШНОГО ПУСКА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
Наличие асинхронных двигателей в сети напряжением 380/220 В значительно усложняет выполнение защиты ее от к. з. и перегрузок. Основная трудность в осуществлении защиты — необходимость отстройки ее от пусковых токов асинхронных двигателей. Неучет или неправильный учет пусковых токов может привести или к отказам защиты, или к ложным ее срабатываниям. Очевидно, что то и другое крайне нежелательно.
Если сеть 380/220 В правильно рассчитана и выполнена, то режим пуска электродвигателя не представляет опасности ни для запускаемого двигателя, ни для других электроприемников. В противном случае пуск становится опасным как для самого запускаемого двигателя, так и для остальных работающих электродвигателей, подключенных к данной сети.
Известно, что при пуске асинхронные короткозамкнутые электродвигатели потребляют из сети в течение всего времени пуска Iи пусковой ток Iп, превышающий в 4. . .7,5 раза номинальный ток двигателя (рис. 4.1). В первоначальный момент пуска происходит бросок пускового тока, максимальная амплитуда которого достигает (1,3...1,5) √2Iп=2Iп (рис. 4.1). Длительность этого броска вполне достаточна для срабатывания электромагнитного расцепителя автоматического выключателя. Бросок пускового тока может быть и большим, если двигатель работает с реверсами (противовключениями) или повторными пусками после кратковременных (до 1... 1,5с) остановок.
В паспортных данных электродвигателей приводятся значения кратности Iп* пускового тока по отношению к номинальному току двигателя Iп* =Iп/Iн.д.. Пусковой ток с такой кратностью будет обтекать обмотки электродвигателя, если напряжение на его зажимах при пуске равно номинальному. Фактический пусковой ток может существенно отличаться от паспортного, на его значение влияет целый ряд факторов: мощность питающего трансформатора, площадь поперечного сечения, марка и длина проводов сети напряжением 380/220 В, по которым двигатель получает электропитание, уровень напряжения в сети и др. В каталожных данных об электродвигателях приводится также кратность Мп* пускового вращающего момента Μв в относительных единицах от номинального момента Μн.д двигателя: Мп*=Мп/Μн.д. Так, для асинхронных короткозамкнутых двигателей сельскохозяйственного исполнения серии 4А Мп*=2...2,2, причем эта кратность соответствует пуску двигателя при номинальном напряжении на его зажимах.
В силу особенностей сельских сетей пусковой ток питаемых от них асинхронных двигателей обычно меньше паспортного значения. Кроме того, напряжение на зажимах пускаемого и остальных работающих электродвигателей при пуске существенно снижается. Это приводит к уменьшению пускового момента. Уменьшение может быть настолько значительным, что развиваемый момент у запускаемого двигателя окажется меньше, чем момент трогания Мт приводимой им рабочей машины. В этом случае пуск электродвигателя не состоится и, если защита его выполнена неправильно, он сгорит.
Рис. 4.1. Кривая изменения пускового тока электродвигателя.
Снижение напряжения, вызванное запуском электродвигателя с максимальным пусковым током, происходит и на зажимах остальных работающих электродвигателей. Вследствие этого снижаются их вращающие моменты, в том числе и максимальные Ммах. Если при этом максимальный момент Ммах какого-либо работающего электродвигателя окажется меньше момента сопротивления Мс сочлененной с двигателем рабочей машины, то двигатель «опрокинется»: ротор его затормозится, двигатель, оставаясь подключенным к сети, будет потреблять от нее пусковые токи, чем еще больше снизит уровень напряжения на зажимах оставшихся в работе двигателей. В итоге возможно нарастающее и лавинообразное опрокидывание асинхронных двигателей. Поэтому, приступая к расчету защиты от к. з. и перегрузок, сначала проверяют сеть по условиям возможности пуска асинхронных электродвигателей.
Наконец, по соотношению (4.1) проверяют возможность успешного пуска асинхронного двигателя. Если соотношение (4.1) не выполняется, то необходимо принять меры по улучшению условий пуска. Чаще всего для этого увеличивают площадь поперечного сечения проводов питающей сети и реже — увеличивают мощность питающего трансформатора.
Рассмотрим теперь порядок проверки устойчивой работы подключенных к сети двигателей при запуске двигателя с наибольшим пусковым током.
Работающий электродвигатель сохранит устойчивую работу, если его максимальный момент М'мах при снижении напряжения из-за пуска другого двигателя будет больше момента сопротивления Мc рабочей машины. Выражая эти моменты через соответствующие кратности, получим математическую запись условия сохранения устойчивости работающим двигателем:
Кратность максимального момента Ммах* для соответствующих марок электродвигателей приводится в каталожных данных. Для большинства электродвигателей сельскохозяйственного исполнения серии 4А она равна 2,2. Уровень напряжения на зажимах проверяемого двигателя вычисляют по формуле (4.5), только
и ΧΣ будут иметь соответствующие для проверяемого двигателя значения. Момент сопротивления Мc рабочей машины находят по паспортным справочным или каталожным данным. Если условие (4.7) не выполняется, то нужно принять меры по повышению устойчивости.
Рассмотрим еще некоторые обстоятельства, связанные с пуском асинхронных двигателей и усложняющие выполнение защиты от к. з. и перегрузок. Пусковой режим характеризуется не только значением пускового тока, но и длительностью пуска tп, то есть временем, в течение которого двигатель разворачивается до нормальной частоты вращения (рис. 4.1). Условно разделяют пуски на нормальные и тяжелые. К нормальным относят редкие пуски с длительностью не более 5 с. К тяжелым относят частые пуски (более 15 раз в час) или пуски с длительностью более 10 с. Длительность пуска зависит от ряда факторов, в том числе от типа двигателя, характеристики рабочей машины, мощности питающего трансформатора, сопротивления проводов питающей сети и др.
Для того чтобы предохранитель, защищающий двигатель, не перегорел при нормальных условиях пуска, ток его плавкой вставки должен быть примерно в 2,5 раза меньше пускового. В итоге ток плавкой вставки превышает номинальный ток электродвигателя примерно в 2,5 раза. Расплавить такую плавкую вставку в течение часа может ток, превышающий номинальный ток двигателя по крайней мере в 3...3,5 раза.
Примерно в такой же ситуации оказываются и двигатели с тяжелыми условиями пуска. Очевидно, что, несмотря на то, что предохранители имеют защитную характеристику, обратно зависимую от квадрата тока, защиту электродвигателей от перегрузки предохранителями выполнить не удается. Поэтому в тех случаях, когда сеть или ответвление, питающие электродвигатель, защищены предохранителями, защиту двигателя от перегрузки обычно выполняют тепловыми реле, встроенными в магнитный пускатель. При этом требуется правильно выбрать тепловые реле и тщательно их настроить, чтобы обеспечить удовлетворительную работу этих реле как аппаратов защиты двигателей от перегрузки.
Возможны и желательны другие, более совершенные виды защиты от перегрузки, например, такие, как встроенная температурная защита электродвигателей, подобная УВТЗ, но с улучшенными защитными характеристиками. Такие защиты разработаны, и ими будут оснащаться асинхронные двигатели, поставляемые сельскому хозяйству. Некоторые из этих видов защит уже нашли применение в сельскохозяйственном производстве [2].