Лабораторный стенд для исследования защит асинхронных электродвигателей

СОДЕРЖАНИЕ


Содержание


Аннотация


Введение

ГЛАВА 1. Анализ состояние вопроса, цель и задачи исследования

1.1.
Анализ парка и режимов работы асинхронных электродвигателей в сельском хозяйстве

1.2.
Анализ условий эксплуатации асинхронных электродвигателей в сельском хозяйстве

1.3.
Анализ аварийных режимов, причин отказов и видов повреждений асинхронных электродвигателей в сельском хозяйстве

ГЛАВА 2. Анализ существующих устройств защиты

2.1.
Пути повышения надежности работы асинхронных электродвигателей

2.2.
Анализ защитных устройств асинхронных электродвигателей

2.3.
Анализ микропроцессорных устройств по защите асинхронного электродвигателя

2.4.
Микропроцессорное устройство защиты AZD

ГЛАВА 3. Разработка лабораторного стенда по исследованию защит

3.1.
Обоснование требований к лабораторному стенду

3.2.
Разработка принципиальной электрической схемы 

3.3.
Выбор оборудования

3.4.
Внешний вид лабораторного стенда

3.5.
Разработка программы исследований

3.6.
Методика исследований

3.7.
Экспериментальные исследования

ГЛАВА 4. Технико - экономическое обоснование

4.1.
Расчет стоимости системы защиты асинхронных электродвигателей лабораторного стенда

4.2.
Сравнительный анализ микропроцессорных систем защиты асинхронного электродвигателя на AZD и ABB


Заключение


Список используемой литературы







    АННОТАЦИЯ
     
     Настоящий выпускная квалификационная работа посвящена вопросу разработки и применения в вузе лабораторного стенда по дисциплине «Эксплуатация электрооборудования».
     Данная работа содержит четыре главы.
     В первой главе проведен анализ состояние вопроса, цель и задачи исследования. Произведен анализ парка, режимов, условий эксплуатации, аварийных режимов, причин отказов и видов повреждений асинхронных электродвигателей.
     Во втором разделе произведен анализ существующих устройств защиты, рассмотрены пути повышения надежности асинхронных электродвигателей. Выполнен анализ защитных устройств, микропроцессорных устройств защиты асинхронных электродвигателей. В качестве примера подробно рассмотрено микропроцессорное устройство защиты AZD.
     Во третьем разделе произведена разработка лабораторного стенда по исследованию защит и обоснование требований к лабораторному стенду. Разработана принципиальная электрическая схема и подобрано оборудование к лабораторному стенду. Выполнена разработка программы исследований, алгоритм и правила выполнения работы. На стенде сняты экспериментальные исследования по срабатыванию каждой защиты.
     В четвертом расчет показателей экономической эффективности использования микропроцессорного устройства защиты AZD.
     В заключении содержатся основные выводы по проведенному исследованию.
     
     
ВВЕДЕНИЕ
     
     Современные сельскохозяйственные предприятия с автоматизированными и полуавтоматизированными технологическими линиями - крупные потребители электрической энергии. На каждом таком предприятии сосредоточено несколько сотен электродвигателей, приводящих в действие основное технологическое оборудование. Отказ одного из них останавливает всю технологическую линию. Чем выше уровень механизации производства, тем выше требования, предъявляемые к надежности электроборудования.
     Вопросы надежности электрооборудования, в частности, электродвигателей, их безаварийной работы являются важнейшим экономическим показателем. Наиболее широкое распространение, как в промышленности, так и в сельском хозяйстве получили асинхронные электродвигатели. Их доля в обшей номенклатуре электродвигателей составляет по количеству до 90%, по мощности до 60%, по потреблению электроэнергии - более 60%, и по существующим прогнозам еще много десятилетий будут выполнять функции преобразователей электрической энергии в механическую.
     Короткозамкнутый асинхронный двигатель считается самой надежной электрической машиной. Это объясняется прежде всего относительной простотой их конструкции.
     Вместе с тем на практике наблюдается сравнительно высокий процент их выхода из строя. Объясняется это главным образом тем, что в процессе эксплуатации возникают такие условия, на которые машина не рассчитана при проектировании. Статистический материал, собранный в ряде научно-исследовательских организаций и вузов, свидетельствует о том, что в отдельных предприятиях ежегодно приходится заменять 20 - 25% электродвигателей. Высокая аварийность электрооборудования наносит большой ущерб производству.
     Эксплуатация электродвигателей в сельском хозяйстве, в отличие от промышленности, характеризуется специфическими особенностями: децентрализованностью размещения, сезонностью работы, резкопеременной нагрузкой; сложными условиями окружающей среды, низким качеством питающего напряжения, низкой эффективностью средств защиты и профессиональным уровнем обслуживающего персонала и др. В итоге средний срок службы АД, работающих в условиях сельского хозяйства, составляет 1,3-2,7 года.
     Проблема защиты асинхронных электродвигателей от возникающих во время его работы перегрузок решается различными способами. Одним из способов является применение автоматов защиты асинхронных электродвигателей от перегрузки по величине потребляемого ими тока (тепловое реле или токовая защита). Достоинством этого способа является его низкая стоимость. Другим способом защиты асинхронных электродвигателей является применение устройств защиты от пропадания одной из питающих фаз. Хотя эти устройства защиты довольно сложные, тем не менее, большинство из них имеют ложные срабатывания или не срабатывают вовсе, они не позволяют производить отключение электродвигателя при возникновении перегрузок во время работы технологического оборудования.
     Ещё есть устройства, контролирующие степень нагрева электродвигателя, но они требуют установки в электродвигатель датчика температуры, что влечет за собой необходимость прокладки дополнительных проводов к электродвигателю. Следует отметить, что эти устройства реагируют лишь на следствие возникшей аварийной ситуации, причем время реакции очень большое. И в результате, как правило, поломка оборудования и подгоревшая обмотка электродвигателя. На российском рынке присутствуют также устройства защиты асинхронных электродвигателей импортного производства. Эти устройства позволяют осуществлять защиту на более высоком уровне, чем описанные выше, но стоят они намного дороже. Поэтому такие устройства применяются весьма редко.
     Совершенствование устройств защиты асинхронных электродвигателей особенно в сельскохозяйственном производстве имеет важное народнохозяйственное значение. Изучение передового мирового опыта по современным устройствам защиты асинхронных электродвигателей показало, что весьма перспективными являются микропроцессорные устройства защиты и управления электродвигателями.
     Для правильного выбора защитных устройств необходимо проанализировать причины выхода асинхронных электродвигателей из строя и аварийных режимов. Исследование и применение средств защиты следует рассматривать как важнейшее условие повышения надежности и срока службы электродвигателей.
     
     Актуальность темы. Данная тема выпускной квалификационной работы актуальна в настоящее время, так как лабораторный стенд «Исследование микропроцессорных устройств защиты асинхронных электроприводов в сельском хозяйстве» может представлять интерес как для широкого круга общественности, так и для специалистов в области электрификации. Данный лабораторный стенд имеет большое значение для хорошего понимания процессов, происходящих в современных электрических устройствах. Выполнение учащимися лабораторных работ на данном стенде является важным средством более глубокого усвоения и изучения учебного материала, а также приобретения практических навыков по экспериментальному исследованию и обращению с оборудованием.
     Цель исследования. Разработать лабораторный стенд для исследования защит асинхронных электродвигателей.
     Задачи исследования:
     * произвести анализ режимов, условий работы и эксплуатации асинхронных электродвигателей в сельском хозяйстве;
     * произвести анализ микропроцессорных устройств по защите асинхронного электродвигателя;
     * разработать принципиальную электрическую схему лабораторного стенда; 
     * выполнить выбор пускозащитной аппаратуры;
     * разработать программу исследований;
     * разработать алгоритм выполнения лабораторной работы и правила выполнения;
     * произвести экспериментальные исследования.
     * произвести технико-экономическую оценку и эффективность микропроцессорных устройств защит.
     Объект исследования. Асинхронный электродвигатель. 
     Предмет исследования. Микропроцессорные устройства защиты.
     Методы исследования. Экспериментально на лабораторной стенде.
     Научная новизна.



    ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА,
    ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
    
    1.1. Анализ парка и режимов асинхронных электродвигателей в сельском хозяйстве
     
     Структура электроприводов в сельском хозяйстве характеризуется распределением двигателей по типам и модификациям, климатическому исполнению, мощности и особенностям производства (отраслям). 
     Из всех существующих типов электрических двигателей наибольшее распространение в сельском хозяйстве получили трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором различных серий, так как они наиболее просты и относительно надежны в эксплуатации, выпускаются в массовом количестве. К ним относятся электродвигатели промышленных серий 4А, АИР, RA, 5А, 6А. Количество электродвигателей новых серий 5А, 6А постоянно растет вместе с обновлением технологического оборудования. 
     Однако обновление парка электрических машин идет медленно, новые серии электродвигателей 5А, 6А в эксплуатацию поступают в недостаточном количестве. В основном используются электродвигатели серии 4А, АИР. 
      В сельском хозяйстве в основном используются асинхронные электродвигатели мощнocтью 0,25-11 кВт на напряжение 380/220B с синхронной частотой вращения 1000, 1500 и 3000 об/мин.
     Применение той или иной модификации единой серии асинхронных двигателей зависит главным образом от требований и характеристик рабочей машины.
     На срок службы двигателя большое влияние оказывает режим его работы. Различают три основных режима работы двигателя: длительный (S1), повторно-кратковременный (S2) и кратковременный (S3).
     Под длительным режимом работы понимают такой, при котором двигатель включается в работу на достаточно большой период времени, в течение которого он нагревается до установившегося теплового состояния, а температура его обмоток практически не изменяется . Большинство сельскохозяйственных машин работает в этом режиме.
     В свою очередь, машины с длительным режимом можно разделить на машины с постоянной и переменной нагрузкой. 
     При кратковременном режиме работы двигатель за время включения не успевает нагреться до установившегося состояния, а за время паузы обмотка успевает охладиться до температуры окружающей среды. За счет кратковременности включения можно допустить некоторую перегрузку двигателя, имея в виду, что за время работы температура обмоток не успеет достичь допустимого значения.
     Такой режим работы имеют транспортеры для уборки навоза. Их включают на 15 - 20 мин, и за это время двигатель не достигает установившегося теплового состояния.
     К повторно-кратковременному режиму относят режим, при котором периоды работы чередуются с отклонением и остановкой двигателя. За время работы двигатель не успевает нагреться до установившегося теплового состояния, а за время паузы - остыть до температуры окружающей среды.
     Такой режим работы имеет электропривод безбашенной водокачки при расходе воды, близком к половине производительности насоса.
     В сельском хозяйстве асинхронные электродвигатели в продолжительном режиме работают (S1)-50%, кратковременном (S2) -35% и повторно- кратковременном (S3)-15%.
     Анализ исследований показывает, что большинство асинхронных электродвигателей в сельском хозяйстве работают с недогрузкой по мощности (табл. 1.1).
     Таблица 1.1
     Коэффициент загрузки асинхронных электродвигателей
Коэффициент загрузки, КЗ
%
КЗ ? 0,5
50
0,5< КЗ <1,0
32
КЗ =1,0
10
КЗ >1,0
8
     
     Из результатов анализа статистики отказов и повреждений асинхронных двигателей в сельском хозяйстве в среднем за год выходят из строя до 20 - 35%. Средний срок службы электродвигателей в сельском хозяйстве не превышает 3 лет и составляет по разным оценкам 1,3 - 2,7 года. Учитывая особенность работы сельскохозяйственных электроприводов: сезонность эксплуатации и их использование не более 2000 часов в год, срок службы электродвигателей в сельском хозяйстве составляет не более третьей части от расчетного ресурса современных электрических машин (20000 часов).
     Средний срок службы электродвигателей на различных технологических процессах составляет: для кормоприготовления 2,6 - 2,7 лет; кормораздачи 1,3 -1,7 лет; доения 2,1 - 2,2 лет; водоснабжения 2,3 - 2,5 лет; уборки помещений 1,8 года; вентиляции 1,9 - 2,7 года; зерноочистки 3,1 года. (табл. 1.2)
     
    1.2. Анализ условий эксплуатации асинхронных 
электродвигателей в сельском хозяйстве
     
     В сельском хозяйстве используют в основном электрооборудование общего назначения, т. е. электрооборудование, предназначенное для большинства отраслей народного хозяйства. Однако характер сельскохозяйственного производства, условия окружающей среды и технологические требования отличны от условий и режимов работы в промышленности и на строительстве. Эти особенности следует принимать во внимание как при конструировании электроустановок, так и при их эксплуатации. В некоторых случаях они вызывают необходимость создания специальных электрических машин и аппаратов, предназначенных именно для сельского хозяйства.
     Особые факторы сельскохозяйственного производства, влияющие на эксплуатационную надежность асинхронных двигателей: 
     - параметры окружающей среды (повышенная влажность и концентрация агрессивных газов в животноводческих, птицеводческих помещениях, резкие колебания температуры, наличие загрязненности, пыли) (табл. 1.3); 

Таблица № 1.2
Средний срок службы электродвигателей в производственном процессе

Производственный процесс 
Средний 
срок 
службы, 
лет 
Средняя 
продолжительность работы 
Среднее число пусков в сутки, 
раз/сутки 
Температура обмотки 
статора в установленном режиме, 
оС


В сутки,
час 
В году, 
час


Кормоприготовление
2,6 ... 2,7 
1 ... 4 
300 ... 400 
2 ... 3 
58 ± 14 
Кормораздача
1,3...1,7 
2 ... 2,5 
250 ... 400 
3 ... 4 
47 ± 15 
Доение
2,1 ... 2,2 
7 ... 7,5 
2100 ... 3440 
2 ... 3 
42 ± 6
Первичная обработка молока
1,8 
6 ... 6,5 
1600 
2 ... 3 
44 ±9
Водоснабжение
2,3 ... 2,5 
3,5 .. 4 
900 ... 1000 
5 ... 6 
56 ± 6
Уборка помещений
1,8 
1 .. 4,5 
365 ... 1000 
2 ... 3 
40 ± 8
Вытяжная вентиляция
1,9 ... 2,7 
7 ... 8 
2000
2...3 
54 ± 12 
Приточная вентиляция
2,1 ... 3,2 
2,5 ... 3 
800 ... 900 
4 ... 5 
54 ± 12 
Зерноочистка
3,1 
7 ... 8 
200 
5 ... 8 
82  ± 13



    Таблица № 1.3
    Параметры окружающей среды сельскохозяйственных помещений
     
Сельскохозяйственное помещение 
Параметры окружающей среды

Влажность,
%
Температура,
0С
Запыленность,
г/м3
Содержание агрессивных примесей,  мг/м3




NH3 ,
H2S
CO2
Мельница 
51 ... 94
-
0,24 ... 74,8
-
-
-
Элеватор 
-
-
до 240
-
-
-
Молочное отделение 
40 ... 100
0 ... 28
-
-
-
-
Насосная
58 ... 98
6... 17
-
-
-
-
Кормоцех 
70 ... 98
15, .. 30
-
-
-
-
Теплица 
до 100
18 ... 30
-
-
-
-
Свинарник 
49 ... 100
-5 ... 32
2 .. .13,9
5 ... 54
10 ... 26
0,046 ... 0,55
Коровник 
61 ... 100
-2 ... 20
3 ... 7
3 ... 63
10 .. .90
0.05 ... 0.54
Родильное отделение и телятник 
68 ... 100
0 ... 30
-
3,5 ... 33,7
-
-
Конюшня 
61 ... 90
-3 ... 25
-
6 ... 35
-
-
Овчарня 
70 ... 97

-
20 ... 61
-
0,32 ... 0,4
Птичник 
35 ... 98
-2 ... 29
1.9 ... 20
2.3 ... 40
2 ... 30
0.03 ... 0.5
     


     
     - режимы работы электродвигателей (некорректный выбор асинхронного двигателя по мощности, величине и характере нагрузки, частота и продолжительность пусков, рабочих циклов, сезонность эксплуатации, повышенные вибрации и др.); 
     - качество электрической энергии (недопустимые скачки напряжения, обрыв фаз, нарушение чередования и слипания фаз, перекос фазных/линейных напряжений и др.); 
     - качество аппаратуры управления и защиты электродвигателей от работы в аварийных режимах (низкая эффективность средств управления и защиты асинхронных электродвигателей при работе в аварийных режимах); 
     - уровень организации и состояние службы эксплуатации (недостаточное финансирование, отсутствие квалифицированных специалистов, а также правильной организации службы эксплуатации и др.). 
     Анализ режимов работы, условий эксплуатации асинхронных электродвигателей позволяет утверждать, что влияние на надежность работы асинхронных двигателей в условиях сельскохозяйственного производства оказывают тепловые, механические и электрические воздействия, а также воздействия окружающей среды. 
     
    1.3. Анализ аварийных режимов, причин отказов и видов 
повреждений асинхронных электродвигателей 
в сельском хозяйстве
     
     В среднем выходят из строя до 20 - 35% установленных асинхронных двигателей.
     Отказы электродвигателей: эксплуатационные 50%; технологические 35%; конструкционные 15%.
     Отказы элементов конструкции асинхронных двигателей: повреждение обмоток 85 - 95%; повреждение подшипникового узла 5 - 8%; прочие отказы 1 -4%.
     Отказы по характеру повреждения обмоток асинхронных двигателей средней мощности: межвитковые замыкания 93%; пробой межфазной изоляции 5%; повреждение и пробой корпусной изоляции 2%.
     Причины эксплуатационных отказов изоляции обмоток статора асинхронных двигателей: аварийные режимы 70%; старение изоляции 30%.
     Аварийные режимы: обрывы фазы 40 - 50%; заклинивание рабочей машины 20 - 25%; длительные перегрузки 10 - 15%; пробои изоляции при ее увлажнении 15 -20% [13].
     По современным данным в подавляющем большинстве случаев отказы асинхронных двигателей мощностью свыше 5 кВт происходят из-за повреждения обмоток статора, и распределяется следующим образом: межвитковые замыкания -93%; пробой межфазной изоляции - 5%; пробой пазовой изоляции - 2%. На подшипниковый узел приходится 5 - 8% отказов и небольшой процент связан с такими причинами, как распайка выводных концов, скручивания валов, разрыв стержней ротора и другие.
     Анализ данных о повреждениях обмоток статоров показывает, что до 70% отказов электродвигателей происходит в результате создания аварийных режимов при эксплуатации, т.е. случайных концентраций нагрузки, предвидеть которые практически невозможно, а оставшиеся 30% составляют износовые отказы, обусловленные старением изоляции и износом узлов.
     Из приведенных выше данных следует вывод, что одним из основных видов отказа электродвигателя является выход из строя обмотки статора, причем, значительную долю составляют износовые отказы из-за старения изоляции под воздействием влаги, агрессивных сред, тепловых и механических нагрузок.


    ГЛАВА 2. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ
    УСТРОЙСТВ ЗАЩИТЫ
    
    2.1. Пути повышения надежности асинхронных 
электродвигателей
     
     Как известно, длительная и безаварийная работа электрических двигателей во многом определяет эффективность производства, поскольку отказы в их работе ведут к остановке отдельных механизмов и, зачастую, к полному прекращению всего технологического процесса [1]. В результате, наносимый предприятиям ущерб связан не только с заменой или ремонтом вышедших из строя двигателей, но и с браком и недовыпуском продукции. 
     Поэтому вопросы повышения надежности и долговечности асинхронные двигатели, как наиболее ответственного звена в комплексе технологического оборудования, являются актуальными.
     Из практики использования асинхронные двигатели на предприятиях различных отраслей народного хозяйства известно, что наиболее слабым элементом конструкции данного типа электродвигателей является изоляция обмотки статора, что обусловливает значительное количество выходов асинхронные двигатели из строя по причине ее повреждения (из-за нарушения изоляции обмоток статоров прекращают свою работу около 85% электродвигателей [3]). Это приводит к простою технологического оборудования и связанным с ним существенным убыткам.
     В общем случае, изоляция асинхронного двигателя представляет собой многокомпонентную электроизоляционную систему. В процессе эксплуатации на нее действует комплекс различных факторов, приводящих к изменению ее состояния. Открытость системы и неоднородность ее состава обусловливает сложные связи между ее внешними и внутренними факторами. Данная система многокомпонентна не только по своим составляющим (междувитковая, междуфазная, корпусная изоляция), но и по совокупности используемых материалов для ее производства (эмалевой изоляции, обмоточных проводов и пропитка этой композиции лаком, компаундом). Материалы диэлектриков, используемых при изготовлении современных изоляционных конструкций, характеризуются значительной неоднородностью структуры и различием электрофизических свойств в объеме материалов. Это обстоятельство обусловливает необходимость учета условий окружающей среды при эксплуатации асинхронных двигателей. 
     Ухудшению состояния электрической изоляции асинхронного двигателя, применяемых в сельскохозяйственном производстве, способствуют тяжелые режимы работы.
     Анализ опыта использования асинхронных двигателей в сельском хозяйстве [3] позволил установить следующие основные пути повышения надежности асинхронного двигателя: 
     – повышение качества и уровня проектировочных работ;
      – повышение качества электроизоляционных материалов;
     – повышение качества пропиточных и сушильных работ; 
     – совершенствование технологии производства электродвигателей;
     – совершенствование методик ускоренных испытаний на надежность;
     – совершенствованием систем защит асинхронного двигателя от аварийных режимов;
     – разработка новых методов расчета надежности элементов асинхронных двигателей на стадии проектирования, изготовления и эксплуатации.
     Применение на практике перечисленных выше способов позволяет повысить технико-экономические и энергетические характеристики асинхронного двигателя. Основное внимание в работе уделяется разработке лабораторного стенда для защиты асинхронного электродвигателя.
     Анализ причин низкой эффективности защиты асинхронного электродвигателя показывает, что во многих случаях она связана с неправильным выбором средств защиты двигателей по техническим показателям. Используемые на практике устройства защиты надежно срабатывают при одних видах аварийных режимов и недостаточно надежно или вообще не реагируют при других. Некоторые из защитных устройств не могут быть эффективными в виду низкого быстродействия и большой инерционности активных элементов, входящих в состав защитных устройств. Использование же современных электронных элементов и устройств порождает еще одну немаловажную проблему – создаются сложные или громоздкие (с точки зрения схемной реализации) защитных устройств, имеющие большое количество пассивных элементов. 
     На этапе эксплуатации важным вопросом обеспечения надежности работы может являться комплексная диагностика. Эффективное решение задачи повышения достоверности диагностики конструктивных элементов электродвигателя невозможно без технической реализации методов, обеспечивающих получение объективной информации об их состоянии. Кроме того, необходимо проводить постоянную работу в области совершенствования технических характеристик приборов, реализующих существующие методы диагностирования.
     В рамках рассматриваемого вопроса наибольший интерес представляют устройства, выполняющие функции автоматической диагностики асинхронного двигателя, входящие в состав стандартных средств защиты, которые не только обладают всеми выше перечисленными свойствами и способны предотвратить преждевременный выход асинхронного двигателя из строя, но и позволяют оценить текущее состояние изоляции обмотки. При этом не исключается возможность усложнения конфигурации защитных устройств вплоть до интеграции с системой обработки результатов диагностики на базе персональной электронно-вычислительной машины. Обеспечение современными устройствами защиты и диагностики минимального воздействия внешних и внутренних факторов на обмотку электрических машин в процессе эксплуатации, а также требуемого качества восстановления работоспособности асинхронные двигатели на стадии технического обслуживания и ремонта позволит получить необходимый уровень надежности узлов электрооборудования и повысить эффективность производства в целом по сельскому хозяйству. Этого можно достичь путем внедрение в существующие схемы управления и защиты микропроцессорных устройств защиты. Поэтому от того, какие методы и технические средства используются для определения текущего состояния обмотки, будет зависеть эффективность всего комплекса мероприятий, направленных на обеспечение надежной работы асинхронного двигателя. 
     
    2.2. Анализ защитных устройств асинхронных 
электродвигателей
     
     Для защиты асинхронных электродвигателей согласно правилам электроустановок должна предусматриваться защита от многофазных, однофазных замыканий, от токов перегрузки, а также других аварийных режимов [22]. Применяются различные устройства защиты :
     - предохранители;
     - автоматические выключатели;
     - тепловое реле;
     - реле напряжения и контроля фаз.;
     - микропроцессорные устройства защиты.
     
     Предохранители 
     Предназначены для защиты электрических сетей от перегрузок и коротких замыканий. Конструктивно они состоят из корпуса из электроизоляционного материала и плавкой вставки, выбираемой из такого расчета, чтобы она плавилась прежде, чем температура двигателя достигнет опасных пределов в результате протекания токов перегруза или к. з. Включаются предохранители последовательно защищаемой сети.
     
     
     Рис.2.1- Зависимость времени перегорания плавкой вставки от силы тока
     Основной характеристикой плавкой вставки является зависимость времени ее перегорания от тока (рис.2.1). Здесь, Iном – номинальный ток плавкой вставки, при котором она работает длительно, не нагреваясь выше допустимой температуры; Imin – наименьший ток, расплавляющий вставку в течение длительного времени (1-2 ч); I10–ток, при котором расплавление вставки и отключение сети происходит через 10 с, после установления тока.
     При графическом изображении токовременной характеристики плавких предохранителей, по оси абсцисс иногда откладывают не абсолютное значение тока, а его кратность относительно номинального (рис.2.2).
     
     Рис.2.2 - Зависимость времени перегорания плавкой вставки от силы тока в относительных единицах
     
     При защите короткозамкнутых АД следует учитывать, что пусковой ток двигателя в 5-7 раз больше номинального, а время пуска электродвигателя равняется нескольким секундам. Номинальный ток плавкой вставки с учетом пускового тока определяется по формуле:
     Iном = kпIn/?,
     где: kп– кратность пускового тока электродвигателя по отношению к номинальному;
     Iн– номинальный ток электродвигателя, А;
     ? –коэффициент, зависящий от условий пуска электродвигателя.
     Для двигателей с нормальными условиями пуска (редкие пуски и временем разгона 5-10 с), ?=2,5; для двигателей с тяжелыми условиями пуска (частые пуски и большая длительность разгона) ?=1,6-2.
     Как следует из формулы (1), предохранители способны защитить АД, только от токов короткого замыкания, в 10-100 раз превышающие номинальные токи. Токи же перегруза или другие токовые аварии, они будут воспринимать как пусковые токи, не реагируя на них. В лучшем случае, они способны отключить электродвигатель только через несколько минут, что может привести к перегреву обмоток и к аварии АД. Поэтому, для защиты электродвигателей от короткого замыкания в нем самом или в подводящем кабеле, используют предохранители с более пологой токовременной характеристикой. Они способны выдерживать, не расплавляясь, токи в 5-10 раз превышающие номинальные в течение 10 с, что вполне достаточно для запуска двигателя. Для защиты от перегрузки необходимо использовать другие устройства.
     Предохранители абсолютно не способны защищать от аварий, связанных с авариями сетевого напряжения, от аварий, связанных с нарушением режимов работы АД или тепловым перегрузом, а также от режима холостого хода двигателя. В то же время, при однофазном к. з., а иногда при сильном перекосе фаз они, как правило, отключают только одну фазу, что приводит к аварийному режиму работы на двух фазах. 
     
     Тепловые реле.
     Тепловые реле (расцепители) применяются для защиты электродвигателей от перегрузок недопустимой продолжительности, а также от обрыва одной из фаз. 
     Конструктивно представляют собой набор биметаллических расцепителей (по одному на каждую фазу), по которым протекает ток электродвигателя, оказывающий тепловое действие. Под действием тепла происходит изгиб биметаллической пластины, приводящий в действие механизм расцепления. При этом происходит изменение состояния вспомогательных контактов, которые используются в цепях управления и сигнализации.
     Реле снабжаются биметаллическим температурным компенсатором с обратным прогибом по отношению к биметаллическим пластинам для компенсации зависимости от температуры окружающей среды, обладают возможностью ручного или автоматического взвода (возврата).
     Реле имеют шкалу, калиброванную в амперах. Согласно международным стандартам шкала должна соответствовать значению номинального тока двигателя, а не тока срабатывания. Ток несрабатывания реле составляет 1,05хIном. При перегрузке электродвигателя на 20% (1,2хIном) произойдет его срабатывание в соответствии с времятоковой характеристикой.[6]
     Выбор реле производится по токовременной характеристике (рис.2.3), с учетом холодного и теплого старта электродвигателя. Характерным параметром выбора является перегрузочная способность электродвигателя:
     Kp = Ia / In,
     где: Ia – пусковой ток;
     In – номинальный ток и минимальное время пуска tе, указанные в паспортных данных на электродвигатель.
     Токовременная характеристика при холодном пуске должна проходить ниже точки с этими координатами. Как видно из рисунка, срабатывание реле из теплого состояния или при обрыве одной из фаз произойдет значительно раньше, чем из холодного состояния или при наличии всех трех фаз (кривые лежат ниже), т. е. реле обладают тепловой памятью. Здесь теплое состояние реле – режим после длительного протекания номинального тока.
      
     
     
     Рис. 2.3 - Токовременная характеристика срабатывания теплового реле
     Реле, в зависимости от конструкции, могут монтироваться непосредственно на магнитные пускатели, в корпуса пускателей или на щиты. Правильно подобранные тепловые реле защищают асинхронный двигатель не только от перегрузки, но и от заклинивания ротора, перекоса фаз и от затянутого пуска. 
     Недостатком тепловых реле является то, что трудно подобрать реле из имеющихся в наличии так, чтобы ток теплового элемента соответствовал току нагрузки электродвигателя. Кроме того, сами реле требуют защиты от короткого замыкания, поэтому в схемах должны быть предусмотрены предохранители или автоматы. Поскольку тепловые процессы, происходящие в биметалле, носят достаточно инерционный характер, реле плохо защищает от перегрузки, связанной с быстропеременной нагрузкой на валу электродвигателя.
     Если нагрев обмоток обусловлен неисправностью вентилятора (погнуты лопасти или проскальзывание на валу), загрязнением оребренной поверхности двигателя, тепловое реле тоже окажется бессильным, т. к. потребляемый ток не возрастает или возрастает незначительно. В таких случаях только встроенная тепловая защита способна обнаружить опасное повышение температуры и вовремя отключить электродвигатели.
     
     Автоматические выключатели.
     Автоматические выключатели предназначены для включения и отключения асинхронных электродвигателей и других приемников электроэнергии, а также для защиты их от токов перегрузки и короткого замыкания. Автоматы совмещают в себе функцию рубильника, предохранителя и теплового реле. Обеспечивают одновременное отключение всех трех фаз в случае возникновения аварийных ситуаций. В рабочем режиме включение и отключение производится вручную; в аварийном режиме он отключается автоматически электромагнитным или тепловым расцепителем.
     Важной составной частью автомата является расцепитель, который контролирует заданный параметр защищаемой сети и воздействует на расцепляющее устройство, отключающее автомат. Наибольшее распространение получили расцепители следующих типов:
     * электромагнитные, для защиты от токов короткого замыкания;
     * тепловые для защиты от перегрузок;
     * комбинированные;
     Электромагнитный расцепитель состоит из катушки с подвижным сердечником и возвратной пружины. При протекании по катушке тока короткого замыкания сердечник мгновенно втягивается и воздействует на отключающую рейку механизма свободного расцепления.
     Тепловой расцепитель представляет собой биметаллическую пластину, соединенную последовательно с контактом. При нагревании ее током перегрузки она изгибается и воздействует на отключающую рейку механизма свободного расцепления с обратнозависимой выдержкой времени.
     Выбор автоматических выключателей производится по номинальному току, характеристике срабатывания, отключающей способности, условиям монтажа и эксплуатации. Правильный выбор характеристики автоматического выключателя является залогом его своевременного срабатывания. 
     В соответствии со стандартами IEC 898 (стандарт международной электротехнической комиссии) и EN 60898 (европейская норма) по характеристикам срабатывания выключатели бывают трех типов: B, C, D.
     Для обеспечения контроля за другими видами аварий автоматические выключатели снабжают целым рядом дополнительных устройств.
     Расцепитель минимального напряжения отключает автомат при недопустимом снижении напряжения, ниже 0,7Uн, расцепитель нулевого напряжения срабатывает при напряжении в сети менее 0,35Uн, где Uн – номинальное напряжение в сети. 
     Независимый расцепитель предназначен для дистанционного отключения автоматического выключателя, электромагнитный привод для дистанционного оперирования выключателем. Расцепитель токов утечки на землю обеспечивает непрерывный контроль за состоянием изоляции установки, защиту от опасности возгорания или взрыва.
     Последние поколения автоматических выключателей снабжены так называемыми электронными расцепителями, осуществляющими комплексную защиту электродвигателя и объединяющими в одном устройстве функции всех вышеперечисленных расцепителей. Они выполнены на базе микропроцессорной техники, гарантируют высокую точность срабатывания, надежность и устойчивость .......................