5. Защита в схемах управления электроприводом

Защита необходима для предотвращения повреждения электрооборудования, в первую очередь двигателей, и дальнейшего развития возникшего повреждения.

Устройства защиты устанавливаются как в силовых электрических цепях, так и в цепях управления. Основными видами защит в электроприводе являются следующие защиты.

• Защита от короткого замыкания. Обеспечивает немедленное отключение цепи, в которой произошло короткое замыкание или чрезмерное увеличение тока. Такая защита предотвращает развитие повреждения, вызванного током короткого замыкания в силовой цепи или в цепи управления.

• Максимальная защита, срабатывающая даже при кратковременном превышении током допустимого значения.

• Защита двигателей от перегрузки током, длительно превышающем его номинальное значение. Эта защита предотвращает перегревание двигателей при продолжительном режиме работы.

• Защита от самозапуска двигателей или нулевая защита. При исчезновении напряжения в сети или его чрезмерном снижении эта защита отключает двигатель, а при появлении напряжения предотвращает самопроизвольное включение его.

• Защита при обрыве цепи обмотки возбуждения. Применяется для двигателей постоянного тока и синхронных двигателей.

• Защита от перенапряжений. Выполняется при питании электроприводов от отдельных преобразователей или генераторов.

• Защита от выпадения синхронных двигателей из синхронизма. При резком изменении нагрузки на валу двигателя или по другим каким-либо причинам напряжение в сети может снизиться до недопустимого значения. Для того, чтобы сохранить перегрузочную способность двигателя, необходимо увеличить его возбуждение.

В схемах автоматического управления электроприводом наряду с защитными устройствами широко используются электрическое блокирование и механические блокировки, обеспечивающие надежную работу электрических аппаратов и всей системы электропривода. Благодаря предусмотренному блокированию устраняется повреждение механизмов или их отдельных частей, которые работают согласованно, и устраняется ненормальность работы электроприводов в результате неправильных действий операторов.

6. Задание на семестровую работу

Требуется выбрать асинхронный двигатель, работающий в повторно-кратковременном режиме. Режим задается нагрузочной диаграммой тока, мощности или момента (рис. 5,6,7,8,9,10) (согласно варианту задания). Значения нагрузочных токов, мощностей или моментов, а также продолжительность работы двигателя и продолжительность пауз и синхронной скорости вращения двигателя приведены в таблице 2. Двигатель питается от сети с линейным напряжением 380 В.

Проверить двигатель по условию пуска и на перегрузочную способность.

Если данное условие не выполняется, то следует выбрать двигатель большей мощности и повторить его проверку на допустимую перегрузку.

Рис. 5 – Нагрузочная диаграмма тока двигателя.

Рис. 6 – Нагрузочная диаграмма тока двигателя.

Рис. 7 –Нагрузочная диаграмма момента двигателя.

Рис. 8 –Нагрузочная диаграмма момента двигателя.

Рис. 9 –Нагрузочная диаграмма мощности двигателя.

Рис. 10 –Нагрузочная диаграмма мощности двигателя.

Таблица 2. Исходные данные для расчета

№ варианта	№ рис.	Величина тока, А				Длительность времени работы двигателя, с				Длительность пауз, с		Скорость двигателя, об/мин
		I1	I2	I3	I4	t1	t2	t3	t4	t01	t02	n0
1	5	35	17	35	13	15	100	35	90	40	70	1500
2	5	42	30	50	10	60	125	15	150	60	90	1000
3	5	22	13	18	8	105	75	45	85	190	75	750
4	6	46	32	50	−	75	90	125	−	135	−	1500
5	6	14	28	22	−	45	60	25	−	55	−	1000
6	6	43	33	38	−	110	65	100	−	125	−	750
№ варианта	№ рис.	Величина момента, Н∙м				Длительность времени работы двигателя, с				Длительность пауз, с		Скорость двигателя, об/мин
		М1	М2	М3	М4	t1	t2	t3	t4	t01	t02	n0
7	7	40	38	17	8	50	150	130	−	165	−	1500
8	7	23	36	18	10	60	90	70	−	125	−	1000
9	7	11	22	28	5	60	40	75	−	175	−	750
10	8	96	46	20	−	50	60	40	−	90	−	1500
11	8	21	35	55	−	60	90	40	−	96	−	1000
12	8	36	23	10	−	110	65	75	−	140	−	750
№ варианта	№ рис.	Величина мощности, кВт				Длительность времени работы двигателя, с				Длительность пауз, с		Скорость двигателя, об/мин
		Р1	Р2	Р3	Р4	t1	t2	t3	t4	t01	t02	n0
13	9	21	39	7	−	100	85	75	−	105	75	1500
14	9	18	39	12	−	110	75	15	−	25	50	1000
15	9	33	36	10	−	225	50	100	−	75	110	750
16	10	39	21	14	7	15	100	35	20	200	−	1500
17	10	39	18	15	12	60	32	15	45	160	−	1000
18	10	36	33	21	10	40	33	45	22	195	−	750

Продолжение таблицы 2.

№ варианта	№ рис.	Величина тока, А				Длительность времени работы двигателя, с				Длительность пауз, с		Скорость двигателя, об/мин
		I1	I2	I3	I4	t1	t2	t3	t4	t01	t02	n0
19	5	42	30	50	10	60	32	18	45	160	20	1500
20	5	13	22	18	8	40	33	55	22	195	23	1000
21	5	35	17	35	13	40	33	45	22	195	10	750
22	6	50	32	46	−	22	13	35	−	25	−	1500
23	6	28	14	22	−	19	62	33	−	220	−	1000
24	6	38	33	43	−	90	12	25	−	110	−	750
№ варианта	№ рис.	Величина момента, Н∙м				Длительность времени работы двигателя, с				Длительность пауз, с		Скорость двигателя, об/мин
		М1	М2	М3	М4	t1	t2	t3	t4	t01	t02	n0
25	7	40	38	17	8	12	18	36	−	25	−	1500
26	7	23	36	18	10	8	42	35	−	60	−	1000
27	7	11	22	28	5	30	46	33	−	65	−	750
28	8	55	35	21	−	50	60	40	−	60	−	1500
29	8	10	23	36	−	60	90	40	−	40	−	1000
30	8	96	46	20	−	110	65	75	−	40	−	750
№ варианта	№ рис.	Величина мощности, кВт				Длительность времени работы двигателя, с				Длительность пауз, с		Скорость двигателя, об/мин
		Р1	Р2	Р3	Р4	t1	t2	t3	t4	t01	t02	n0
31	9	21	39	7	−	115	25	75	−	55	45	1500
32	9	12	39	18	−	72	15	15	−	35	80	1000
33	9	36	33	10	−	45	10	40	−	45	40	750
34	10	40	38	17	8	23	20	17	18	80	−	1500
35	10	18	23	18	36	12	25	30	30	120	−	1000
36	10	28	22	11	5	10	15	20	5	60	−	750

Пример 2.

Производственный механизм имеет график нагрузки, заданный мощностью P=f(t), моментом M=f(t) или током I=f(t) (рис. 11). Номинальное напряжение сети 380 В. Выбрать асинхронный двигатель и проверить его по перегрузочной способности и по условиям пуска.

t₀₂

t₂

t₀₁

t₁

t₃

P₃,M₃,I₃

P₂,M₂,I₂

P₁,M₁,I₁

Рис. 11 – Нагрузочная диаграмма для примера 2.

Случай 1. Нагрузочная диаграмма задана графиком мощности Р=f(t),

Исходные данные:

Р₁= 45 кВт; Р₂= 33 кВт; Р₃= 38 кВт; t₁ = 60 c; t₂ = 140 c; t₃ = 60 c.

Время пауз t₀₁ = 180 c; t₀₂ = 160 c. Синхронная скорость n₀ = 1000об/мин.

Решение.

Суммарное время работы за один цикл:

= t₁+ t₂+ t₃= 60+140+60=260 с,

Время цикла:

Т_Ц= + t₀₁+ t₀₂ = 260+180+160=600 с.

Относительная продолжительность включения при заданном графике нагрузки:

ПВ_расч= /Т_Ц = (260/600)·100% = 43%.

При таком значении ПВ_расч режим работы двигателя – повторно-кратковременный. Так как предполагается выбрать двигатель из серии двигателей повторно-кратковременного режима с ПВ_ст = 40%, то эквивалентная мощность двигателя определяется без учета времени остановок (пауз):

= = 37,2 кВт.

Приводим полученную мощность к стандартной продолжительности включения:

= 37,2 = 38,6 кВт.

По каталогу (табл. П-1) выбираем двигатель из расчета, что его мощность больше расчетной (25), и скорость вращения 1000 об/мин. Таким требованиям отвечает двигатель 4АС250S6УЗ:

Занесем его номинальные данные в таблицу:

Рн,	ПВст,	sн,	nн,	Iн,	ηн,	сosφн,	Мп/Мн	Мm/Мн
кВт	%	%	об/мин	А	%	-	-	-
40	40	5	950	75,8	89	0,9	1,9	2,1

Проверяем двигатель на перегрузочную способность.

Номинальный момент двигателя

= 9550·40/950 = 402 Н·м.

Определяем наибольший момент сопротивления в следующей последовательности:

а) критическое скольжение (18)

s_кр = 0,05(2,1 + ) = 0,2;

б) скорость ротора при критическом скольжении (19)

n_2кр = 1000·(1 – 0,2) = 800 об/мин;

в) наибольший момент сопротивления (20)

М_{наиб.сопр.} = = 9550·45/800 = 537,2 Н·м,

где Р_2max = 45 кВт определяется из графика нагрузочной диаграммы.

Допустимый максимальный момент двигателя (24)

М_max.доп=0,9·( М_m/М_н)·М_н = 0,9·2.1·402 = 760 Н·м.

В результате получаем, что

М_max.доп≥ М_{наиб.сопр} , т.к 760 Н·м >537,2 Н·м.

Таким образом, выбранный двигатель проходит по перегрузочной способности.

Проверяем двигатель по условию пуска.

Допустимый пусковой момент двигателя (27)

М_{пуск.доп.} = 0,9 М_п = 0,9 (М_п/М_н) М_н = 0,9 1,9 402 = 687,4 Н·м.

Пусковой момент сопротивления определяется из нагрузочной диаграммы по мощности при пуске двигателя Р₁ = 45 кВт (28):

М_{пуск.сопр.} = М_{наиб.сопр.}·Р₁/Р_2max = 537,2·45/45 = 537,2 Н·м.

В результате получаем, что

М_{пуск.доп} > М_{пуск.сопр}, т.к 687,4 Н·м >537,2 Н·м.

Таким образом, выбранный двигатель проходит по условию пуска.

Случай 2. Нагрузочная диаграмма задана графиком моментов М=f(t).

М₁ = 55 Н∙м; М₂ = 35 Н∙м; М = 21 Н∙м; t₁ = 100 c; t₂ = 60 c; t₃ = 60 c.

Время пауз t₀₁ = 160 c; t₀₂ = 0 c. Синхронная скорость n₀ = 1500об/мин.

Решение

= t₁+ t₂+ t₃= 100+60+60=220 с,

Т_Ц= + t₀₁+ t₀₂ = 220+160=380 с.

ПВ_расч= /Т_Ц = (220/380)·100% = 58%.

= = 43 Н·м.

Приводим момент к стандартной продолжительности включения

ПВ_ст = 60%:

= 43 = 42,3 Н·м.

Определяем мощность двигателя:

= 42,3∙1500/9550 = 6,6 кВт.

По каталогу (Табл. П-1) выбираем двигатель по мощности 6,6 кВт, и ПВ_ст = 40% при скорости n₀ = 1500 об/мин. Номинальная мощность двигателя уточняется по таблице П-2 с учетом полученной продолжительности включения ПВ_ст = 60%. Этим условиям удовлетворяет двигатель 4АС132М.

Занесем его номинальные данные в таблицу:

Рн,	ПВст,	sн,	nн,	Iн,	ηн,	сosφн,	Мп/Мн	Мm/Мн
кВт	%	%	об/мин	А	%	-	-	-
11,8	60	6	1410	25	84	0,85	2,0	2,2

Проверяем двигатель на перегрузочную способность.

Номинальный момент двигателя

= 9550·11.8/1410 = 80 Н·м.

М_{наиб.сопр.} = 55 Н·м (из нагрузочной диаграммы).

М_max.доп=0,9·( М_m/М_н)·М_н = 0,9·2.2·80 = 158,4 Н·м.

В результате получаем, что

М_max.доп≥ М_{наиб.сопр} , т.к 158,4 Н·м >55 Н·м.

Т.о. выбранный двигатель проходит по перегрузочной способности.

Проверяем двигатель по условию пуска.

М_{пуск.доп.} = 0,9 М_п = 0,9 (М_п/М_н) М_н = 0,9 2 80 = 144 Н·м.

Пусковой момент сопротивления определяется из нагрузочной диаграммы. М_{пуск.сопр.} = 55 Н·м.

В результате получаем, что

М_{пуск.доп} > М_{пуск.сопр}, т.к 144 Н·м >55 Н·м.

Таким образом, выбранный двигатель проходит по условию пуска.

Случай 3. Нагрузочная диаграмма задана графиком тока I=f(t).

I₁ = 42 А; I₂ = 30 А; I₁ = 50 А; t₁ = 120 c; t₂ = 150 c; t₃ = 30 c.

Время пауз t₀₁ = 120 c; t₀₂ = 180 c. Синхронная скорость n₀ = 1000об/мин.

Решение

= t₁+ t₂+ t₃= 120+150+30=300 с,

Т_Ц= + t₀₁+ t₀₂ = 300+120+180 = 600 с.

ПВ_расч= /Т_Ц = (300/600)·100% = 50%.

= = 37.5. А

Приводим ток к стандартной продолжительности включения

ПВ_ст = 60%:

= 37.5 = 34.2 А.

По каталогу (Табл. П-1) выбираем двигатель по току 34,2 А и ПВ_ст = 40% при скорости n₀ = 1000 об/мин и уточняем его мощность по таблице П-2 с учетом полученной продолжительности включения ПВ_ст = 60%. Этим условиям удовлетворяет двигатель 4АС160М.

Занесем его номинальные данные в таблицу:

Рн,	ПВст,	sн,	nн,	Iн,	ηн,	сosφн,	Мп/Мн	Мm/Мн
кВт	%	%	об/мин	А	%	-	-	-
15	60	6	940	36,1	84	0,85	1,9	2,1

Проверяем двигатель на перегрузочную способность.

= 9550·15/940 = 152,4 Н·м.

Определяем наибольший момент сопротивления:

s_кр = 0,06(2,1 + ) = 0,24; n_2кр = 1000·(1 – 0,24) = 760 об/мин.

Наибольшая мощность, потребляемая двигателем:

, = = 28 кВт.

Затем определяется полезная мощность на валу двигателя

, = 28∙0,84 = 23,5 кВт.

М_{наиб.сопр.} = = 9550·23,5/760 = 295,3 Н·м.

М_max.доп=0,9·( М_m/М_н)·М_н = 0,9·2.1·152,4 = 288 Н·м.

В результате получаем, что выбранный двигатель не проходит по перегрузочной способности, т.к. М_max.доп < М_{наиб.сопр} (288 Н·м < 295,5 Н·м).

Возвращаемся назад к таблицам П-1 и П-2 и выбираем двигатель большей мощности 2АС180М.

Рн,	ПВст,	sн,	nн,	Iн,	ηн,	сosφн,	Мп/Мн	Мm/Мн
кВт	%	%	об/мин	А	%	-	-	-
17	60	6	940	39,9	84,5	0,9	1,9	2,1

= 9550·17/940 = 172,7 Н·м.

s_кр = 0,06(2,1 + ) = 0,24; n_2кр = 1000·(1 – 0,24) = 760 об/мин.

, = = 29,6 кВт.

, = 29,6∙0,845 = 25 кВт.

М_{наиб.сопр.} = = 9550·25/760 = 314,5 Н·м.

М_max.доп=0,9·( М_m/М_н)·М_н = 0,9·2.1·172,4 = 326,4 Н·м.

В результате получаем, что

М_max.доп≥ М_{наиб.сопр} , т.к 326,4 Н·м >314,5 Н·м.

Т.о. выбранный двигатель проходит по перегрузочной способности.

Проверяем двигатель по условию пуска.

М_{пуск.доп.} = 0,9 М_п = 0,9 (М_п/М_н) М_н = 0,9 1,9 172,7 = 295,3 Н·м.

Пусковой момент сопротивления (29):

М_{пуск.сопр.} = М_{наиб.сопр.}·I_п/I_max = 314.5·42/50 = 264,2 Н·м.

В результате получаем, что

М_{пуск.доп} > М_{пуск.сопр}, т.к 295.3 Н·м >264.2 Н·м.

Таким образом, выбранный двигатель проходит по условию пуска.