№3 / 2014 / статья 3

Автоматические выключатели для защиты электродвигателей: предложение от Siemens, Eaton, ETI

Алексей Попов, Сергей Попов (г. Воронеж)

Максимальный (пороговый) расцепитель, тепловой расцепитель, дополнительные модули (расцепитель минимального напряжения, дополнительные контакты, элементы индикации и сигнализации) – вот составляющие части автоматических выключателей для защиты трехфазного электродвигателя. КОМПЭЛ предлагает широкую линейку этих изделий от признанных мировых компаний производителей Siemens и Eaton, а также более бюджетные изделия от словенской компании ETI.

По различным оценкам, 40…60% всей вырабатываемой в мире электроэнергии потребляется электродвигателями [1, 2]. Области их применения различны. Единичные мощности составляют от нескольких ватт до десятков мегаватт. Благодаря надежности, неприхотливости, возможности использования в тяжелых условиях эксплуатации и невысокой цене трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (электродвигатели) получили преимущественное применение в промышленном электроприводе. Несмотря на неуклонное возрастание доли электроприводов с плавным регулированием частоты вращения ротора, нерегулируемые приводы остаются пока наиболее востребованными. Массовое применение этого класса приводов в составе различного оборудования и значительный ущерб при их простое или выходе из строя требуют надежных и экономичных решений, обеспечивающих электропитание, управление и защиту. В течение более чем столетней практики использования трехфазных электродвигателей идет непрерывное совершенствование их системы питания и управления как на уровне структурных решений, так и в плане конструкции, технических и экономических характеристик отдельных электроаппаратов. Важность и многообразие решаемых при этом задач обусловили разработку большого количества соответствующих национальных и международных стандартов, регламентирующих основные технические характеристики применяемых аппаратов и методов их испытаний, позволяющих обеспечить надежность, безопасность и экономичность монтажа, обслуживания и эксплуатации установок.

Основные функции, которые должна обеспечивать система питания электродвигателя, не требующего регулирования частоты вращения в установившемся режиме работы:

  • возможность отключения электропитания для технического обслуживания как самого электропривода, так системы его питания;
  • местное и/или дистанционное управление электродвигателем (пуск в работу, выключение, реверс направления вращения);
  • защита от возможных коротких замыканий в электродвигателе и в системе его питания;
  • косвенная защита двигателя и системы питания от перегрузок и перегрева.

Дополнительно может быть организована тепловая защита электродвигателя за счет непосредственного измерения температуры его обмоток (как правило, при помощи установленного в обмотку терморезистора), непрерывный мониторинг сопротивления изоляции, пофазный контроль качества напряжения питания и контроль правильности чередования фаз.

Система питания трехфазного электродвигателя

В соответствии с основными функциями системы питания электродвигателя, на ответвлении к нему должен быть установлен, по крайней мере, один электроаппарат, обеспечивающий надежное отключение при возникновении короткого замыкания (аварийный выключатель), электроаппарат для плановой подачи и снятия напряжения на ответвлении (главный выключатель), один или несколько аппаратов для управления двигателем (вручную или дистанционно, в соответствии с желаемой логикой работы электропривода в составе комплексного оборудования) и аппарат защиты от перегрузок и перегрева. Каждая из указанных задач может решаться отдельным электроаппаратом, но в большинстве случаев возможна интеграция нескольких функций в одном аппарате, что обеспечивает выигрыш по целому ряду параметров системы питания. При этом необходимо учитывать важную особенность электродвигателя – в течение большей части времени пуска ток, потребляемый им из сети, значительно превышает номинальный (обычно в 6…8 раз, в зависимости от конкретного типа двигателя). Во многих областях применения при большом приведенном моменте инерции механической нагрузки электропривода процесс разгона до номинальной частоты вращения может длиться довольно долго – несколько секунд. Это вызывает серьезный перегрев самого двигателя, а также проводников и аппаратов его системы питания, и может создавать значительные сложности при попытке с уверенностью отличить такой, хотя и тяжелый, но штатный режим работы машины от недопустимой аварийной перегрузки, требующей срабатывания защиты и отключения питания. Различные варианты структурных решений построения системы питания электродвигателя рассматриваются в руководствах производителей самих двигателей и производителей электроаппаратов для их защиты и управления [3].

Традиционно для защиты от возможных коротких замыканий использовались плавкие предохранители. Они привлекательны возможностью отключения весьма больших токов КЗ, достаточно быстрым срабатыванием в случае большой величины отношения тока КЗ к номинальному току предохранителя (кратности перегрузки) и значительным токоограничивающим эффектом при исчезновении КЗ, что увеличивает вероятность сохранности других (защищаемых) электроаппаратов, оказавшихся в контуре протекания тока КЗ. Последний фактор означает, что обеспечивается координация параметров электроаппаратов «Тип 2» согласно классификации стандарта IEC947-4-1, в отличии от варианта координации «Тип 1», при которой исправность защищаемых аппаратов после КЗ не гарантируется. Однако, несмотря на вышеуказанные достоинства, плавкие предохранители имеют и весьма серьезные недостатки. К ним, например, относится опасность несинхронного отгорания плавких вставок во всех трех фазах, что может привести к опасному перекосу фаз в электроцепи.

При выборе предохранителей по условию отсутствия ложного срабатывания от пусковых токов номинальный ток оказывается в несколько раз больше, чем номинальный ток защищаемого двигателя, поэтому плавкий предохранитель совершенно не способен защищать двигатель при умеренных кратностях перегрузки и обязательно должен дополняться электроаппаратом с функцией теплового реле. Более того, даже не вызывающие перегорания плавкого предохранителя пусковые токи электродвигателя могут вести к постепенной деградации характеристик предохранителей, что вынуждает выбирать предохранители с большими запасами по номинальному току. При сравнительно легких условиях пуска номинальный ток плавкой вставки выбирается на уровне (0,4…0,5)×IАД КЗР пуск, а для тяжелых пусков – (0,5…0,6)×IАД КЗР пуск, то есть в 3…5 раз больше, чем номинальный ток защищаемого электродвигателя.

  • Поскольку в условиях КЗ может происходить значительное снижение напряжения на ответвлении, возникает опасность отпадения якоря силового контактора, используемого в системе питания электродвигателя, обмотка электромагнита которого питается тем же фазным напряжением. Если это произойдет раньше, чем плавкий предохранитель оборвет ток КЗ – неизбежно серьезное повреждение главных контактов контактора, которые не рассчитаны на отключение таких больших токов. Чтобы исключить эту опасность и обеспечить достаточно быстрое срабатывание плавкого предохранителя, кратность тока КЗ к его номинальному току должна быть не меньше 10…15.
  • После одноразового срабатывания плавкого предохранителя обязательна последующая замена.

Принципы применения автоматических выключателей

Для преодоления большинства недостатков плавких предохранителей началось применение автоматических выключателей (АВ). Стандартный АВ – это электроаппарат с механической коммутацией, главные контакты которого способны надежно отключать большие токи. Он имеет три устойчивых состояния. В положении «Отключено» (Off) главные контакты разомкнуты и имеется возможность вручную, с помощью рукоятки или кнопок, перевести его в положение «Включено» (On). При этом, главные контакты замыкают силовые цепи (одновременно подключается необходимое число полюсов), подавая напряжение питания на соответствующий фидер и нагрузку. Кроме того, происходит запасание механической энергии для последующего практически моментального размыкания главных контактов. Из положения «Включено» АВ можно вернуть в состояние «Отключено» с помощью той же рукоятки или кнопок. Или же в положении «Включено» могут сработать один или несколько специальных управляющих элементов – расцепителей, переводящих АВ в состояние «Расцеплено» (Trip). При этом, главные контакты АВ, за счет заранее запасенной механической энергии, почти моментально размыкаются. В сочетании со специальной конструкцией контактов и дугогасящей камерой АВ это обеспечивает возможность надежного отключения весьма больших аварийных токов, характерных для условий КЗ. Из положения «Расцеплено» АВ можно вручную вернуть в состояние «Отключено» и снова использовать по вышеописанному алгоритму. Номинальный длительно допустимый ток главных контактов АВ должен быть не меньше, чем ожидаемая величина действующего тока нагрузки с учетом частоты и тяжести коммутаций электродвигателя [4].

Все АВ имеют в своем составе так называемый максимальный расцепитель, который без задержки срабатывает, если ток силовой цепи превышает установленный пороговый уровень. Время срабатывания максимального расцепителя обычно не превышает 20 мс и почти не зависит от величины тока, если он больше порогового значения. С другой стороны, токи, значение которых меньше уставки срабатывания максимального расцепителя, не вызывают его переключения независимо от длительности их протекания. Таким образом, эффективно решается вышеописанная проблема, имеющаяся у плавких предохранителей при питании электродвигателя: выбрав уставку максимального расцепителя АВ больше, чем пусковой ток электродвигателя, можно надежно исключить ложные срабатывания защиты даже при длительных тяжелых пусках. Одновременно АВ уверенно обнаруживает и отключает даже сравнительно небольшие токи КЗ, превышающие уставку максимального расцепителя. В классическом варианте АВ максимальный расцепитель выполняется в виде электромагнитного механизма, катушки которого обтекаются токами силовых цепей. Это очень надежное, простое и недорогое решение, особенно для не слишком больших токов и в случаях, когда не требуется перестройка значения уставки срабатывания максимального расцепителя. Для современных АВ с большими номинальными токами и возможностью регулирования кратности срабатывания максимального расцепителя все чаще применяются решения с электронным измерением токов силовых цепей и принятием решения о расцеплении.

С целью уменьшения количества электроаппаратов в фидере электродвигателя довольно часто АВ, предназначенные для их защиты, имеют в своем составе так называемый тепловой расцепитель. По назначению, функционалу и принципу действия он довольно близок к тепловым реле (реле перегрузки). Более подробно особенности конструкции, поведения и применения тепловых реле рассмотрены в статье [5]. Основное отличие теплового расцепителя в составе АВ от теплового реле, работающего вместе с силовым контактором, заключается в алгоритме возврата в рабочее состояние: для большинства АВ необходимо последовательное ручное переключение между состояниями «Расцеплено», «Отключено», «Включено». Однако имеются специальные серии АВ, например, 3RV11 производства компании Siemens, с автоматическим возвратом в положение «Включено» после остывания биметаллических пластин теплового расцепителя, что аналогично соответствующему режиму теплового реле.

Помимо двух встроенных расцепителей, предназначенных для защиты электродвигателей, функциональные возможности АВ можно расширить за счет применения дополнительных модулей, таких как расцепитель минимального напряжения, независимый расцепитель, а также различные варианты дополнительных вспомогательных контактов, элементов сигнализации и индикации состояния АВ, и другие аксессуары. Расцепитель минимального напряжения срабатывает при критически низком снижении напряжения питания и, таким образом, защищает электропривод от некорректной работы при потере питания, а также блокирует несакционированный пуск в работу электродвигателя после восстановления питания. Расцепитель минимального напряжения может использоваться для дистанционного управления АВ, в том числе – для аварийного отключения нагрузки согласно требованиям стандарта DIN EN60204-1 (VDE0113) [6]. Независимый расцепитель предназначен для дистанционного включения/отключения АВ –, как правило, через человеко-машинный интерфейс (HMI, SCADA), что позволяет удаленно управлять АВ.

Еще более широкие возможности удаленного управления АВ предоставляет специальный маломощный электропривод – мотор-редуктор, пристраиваемый к АВ и по команде манипулирующий его состояниями.

Отключающая способность КЗ автоматических выключателей

Одной из важнейших характеристик АВ является его коммутационная способность при отключении аварийных токов. Согласно требованиям стандарта IEC60947, она характеризуется параметрами ICU и ICS. Это действующие величины токов симметричного трехфазного КЗ, которые электроаппарат может надежно отключить при заданном напряжении питающей сети и других стандартных условиях. Значения ICU и ICS устанавливаются производителем защитного электроаппарата и проверяются (подтверждаются) испытаниями в сертифицированных лабораториях. Аппарат должен быть способен отключить ток ICU два раза без катастрофического отказа, после чего требует замены и перепроверки. Ток ICS должен отключаться без отказа три раза, после чего аппарат еще долго способен нести номинальный ток без дополнительного обслуживания. Иногда ICS задают в форме доли от ICU, причем нередко ICS = ICU. Электроаппарат пригоден для защиты фидера от КЗ, если его коммутационная способность превышает его ожидаемый наибольший ток. В противном случае необходимо применить другие защитные аппараты или их комбинации, например, совместное использование плавкого предохранителя и АВ. При этом плавкая вставка обеспечивает надежное отключение особо больших токов КЗ, а все другие защитные функции выполняет АВ. В последние годы достигнуты значительные успехи в улучшении собственной коммутационной способности АВ, что позволяет в большинстве случаев обойтись без применения плавкого предохранителя. В частности, коммутационная способность автоматического выключателя очень сильно зависит от его номинального тока нагрузки и напряжения питающей сети. При напряжении питания 230 В и, отчасти, 400 В, высококачественные современные АВ имеют столь большую коммутационную способность (типичное значение 100 кА), что способны самостоятельно надежно защищать фидер и нагрузку при любых реально возможных токах КЗ. При напряжениях в сети 500 В и, особенно, 690 В, коммутационная способность АВ значительно снижается – до единиц килоампер. Также весьма сильное влияние на ICU и ICS оказывает номинальный ток автоматического выключателя. В связи с особенностями его работы, при отключении аварийных токов наибольшие значения допустимых отключаемых токов имеют модели с малыми номинальными токами, а исполнения АВ на наибольшие номинальные токи (в тех же габаритах), наоборот, значительно слабее в отношении величин ICU и ICS. В сочетании с тем, что фидеры для более мощных электродвигателей в общем случае имеют повышенные расчетные токи КЗ, именно АВ на большие номинальные токи, особенно при повышенном напряжении питания, требуют применения дополнительных плавких предохранителей. Для преодоления этой проблемы некоторые производители высококачественных автоматических выключателей выпускают специальные серии этих электроаппаратов на большие номинальные токи с повышенной коммутационной способностью, которые в подавляющем большинстве применений могут обходиться без плавких предохранителей. Кроме того, выпускаются специальные модули – ограничители тока, устанавливаемые на АВ и значительно увеличивающие его отключающую способность. Другим важным параметром АВ является его ресурс работы, показывающий допустимое количество переключений вхолостую и при коммутации тока в оговоренных условиях, после которых требуется его замена или ремонт. Кроме того, по соображениям обеспечения приемлемой температуры частей АВ нормируется предельно допустимая частота его переключений.

Варианты фидеров электродвигателей

В зависимости от особенностей применения электропривода и задач, решаемых его системами питания, управления и защиты, возможны различные варианты реализации фидера и использования в нем АВ. Если двигатель предназначен для продолжительной работы со сравнительно редкими коммутациями и прямым пуском – АВ может использоваться не только для защиты от аварийных режимов, но и непосредственно для управления электроприводом. Однако гораздо большие функциональные возможности предоставляет система питания электродвигателя, объединяющая в своем составе автоматический выключатель и силовой контактор. При этом АВ может выполнять функции главного и аварийного выключателей, а контактор или группа контакторов осуществляют плановое управление электроприводом: прямой пуск или же двухступенчатый пуск с переключением схемы обмоток электродвигателя со «звезды» на «треугольник», останов и, при необходимости, реверс направления вращения вала электродвигателя. Конструкция силового контактора, оптимизированная для коммутации цепей питания двигателя в штатных режимах, то есть, когда величины протекающих токов не выходят за пределы пусковых токов применяемого электродвигателя, обеспечивает заметно больший ресурс работы (количество переключений) и более высокую допустимую частоту коммутаций, чем у соответствующих АВ. Кроме того, управление электродвигателем с помощью контакторов позволяет обеспечить полностью дистанционную работу и лучшую интеграцию в систему управления электроустановкой. Для увеличения срока службы и улучшения массогабаритных характеристик вместо электромеханических контакторов возможно применение твердотельных или гибридных контакторов, а также устройств плавного пуска электродвигателей [3, 7].

Весьма важными критериями эффективности применения АВ для защиты электродвигателя, помимо коммутационной способности и защитных характеристик, являются их габариты (занимаемое пространство в шкафу управления, в том числе – с учетом электросоединений между различными электроаппаратами в составе фидера), затраты на установку и обслуживание при эксплуатации, сроки ввода в работу. Поэтому автоматические выключатели практически всех ведущих производителей спроектированы для применения в составе соответствующих фирменных модульных систем электроаппаратов. Именно при использовании совместно с другим оборудованием модульной системы электроаппаратов автоматические выключатели обеспечивают оптимальные технические, экономические и эксплуатационные характеристики. Достижение минимальных габаритов системы питания электродвигателей, сокращение объемов, сроков и сложности электромонтажа, улучшение параметров электробезопасности как на этапе установки оборудования, так и при его эксплуатации и обслуживании – основные направления совершенствования АВ.

Автоматические выключатели Siemens

В числе мировых лидеров, производящих автоматические выключатели, находится компания Siemens. Для сетей низкого напряжения компания выпускает АВ различного функционального назначения, которые оптимизированы:

  • для защиты различных электроустановок и ответвлений;
  • для автономного управления и защиты электродвигателей;
  • для работы в составе пусковых комбинаций электродвигателя;
  • для защиты трансформаторов, в том числе – удаленных на значительные расстояния;
  • для контроля предохранителей.
Рис. 1. Внешний вид АВ Siemens серии 3RV1011 для защиты электродвигателя

Рис. 1. Внешний вид АВ Siemens серии 3RV1011 для защиты электродвигателя

АВ низкого напряжения производятся на широкий диапазон номинальных токов и, соответственно, мощностей электродвигателя. Они выпускаются в рамках фирменной модульной системы электроаппаратов Sirius в вариантах с установленным тепловым расцепителем и без него. В последнем случае в составе системы питания имеется отдельное тепловое реле или другой электроаппарат с соответствующим функционалом. По сравнению с АВ, имеющими как максимальный, так и тепловой расцепитель, АВ без теплового расцепителя предоставляет значительно большую гибкость выбора характеристик защиты от КЗ и тепловой перегрузки, в соответствии с требованиями конкретных проектов применения двигателя. Первое поколение АВ низкого напряжения для защиты электродвигателей производства Siemens представлено сериями 3RV10 (базовая, универсальная, с тепловым расцепителем), 3RV11 (тепловой расцепитель с автоматическим пуском после остывания оборудования), 3RV13 (без теплового расцепителя). Серия 3RV10 охватывает исключительно широкий диапазон габаритов исполнений и, соответственно, номинальных токов защищаемых электродвигателей. Если наиболее компактное исполнение 3RV1011 (типоразмер S00 шириной 45 мм) предназначено для электродвигателя с номинальными токами ≤12 А и мощностью примерно 40…5500 Вт, то АВ исполнения 3RV1041 (типоразмер S3 шириной 70 мм) могут работать в фидерах двигателей с токами до 100 А и мощностью до 45 кВт (рисунок 1). Более того, эта серия продолжается еще более мощными электроаппаратами – 3RV1063, 3RV1073 и 3RV1083 на номинальный ток вплоть до 630 А (рисунок 2).

а)

а)

б)

б)

Рис. 2. АВ Siemens серий: а) 3RV10 73-7GL10 (номинальный ток 400 А); б) 3RV13 53-LM10 (номинальный ток 32 А) для защиты электродвигателя

Автоматические выключатели серии 3RV10 имеют высокую отключающую способность – на уровне лучших аналогов, а также хорошую точность установки и стабильность токо-временных защитных характеристик, широкий диапазон рабочих температур (-20…60°С) при стабильно высоком качестве продукции и большом сроке службы. Кратность срабатывания максимального расцепителя этих АВ – 13, что оптимально для защиты различных типов электродвигателей как в отношении отстройки от ложных срабатываний защиты из-за пусковых токов, так и в плане надежного обнаружения возникновения КЗ. Большинство конкурирующих АВ не оставляют пользователю выбора класса токо-временной характеристики применяемого теплового расцепителя: обычно она приблизительно соответствует Class10 или Class10А, что может приводить к ложным срабатываниям их теплового расцепителя при тяжелых условиях пуска. В свою очередь, АВ серии 3RV10 могут иметь как исполнение теплового расцепителя, настроенного на Class10 (базовый вариант), так и на Class20 – для электроприводов с затянутыми и/или частыми пусками. АВ серии 3RV10 на большие номинальные токи (100…630 А) имеют интегрированный электронный блок мгновенного и теплового расцепителей с возможностью плавного регулирования их уставок в диапазоне кратностей срабатывания – соответственно, в диапазонах 6…13 и 0,4…1,0, а также задания вариантов класса теплового расцепителя 10, 10А, 20 или 30. Это позволяет очень гибко адаптировать параметры защиты под требования конкретного проекта применения электродвигателя. Кроме того, следует отметить широкий диапазон допустимых рабочих температур этих АВ – -25…70°С, возможность использования даже в условиях тропического климата, а также высокую отключающую способность (по сравнению с конкурентами на аналогичные номинальные токи) – 100 кА и даже 120 кА при напряжении в сети 400 В. Все автоматические выключатели серии 3RV10 могут использоваться в составе оборудования взрывоопасных производств.

В дополнение к серии 3RV10 компания Siemens выпускает серию АВ 3RV13 без теплового расцепителя на еще более широкий диапазон токов и мощностей электродвигателя (номинальные токи 0,16…800 А). Внешний вид АВ этой серии с номинальным током 32 А показан на рисунке 2. Помимо повышенной гибкости применения АВ серии 3RV13 в составе пусковых комбинаций электродвигателя, следует отметить, что в ее составе, начиная с габарита S3 (на номинальные токи от 16 А и выше), имеются специальные исполнения с увеличенной отключающей способностью токов КЗ – 100…200 кА, которые исключают необходимость применения дополнительных плавких предохранителей при практически любых условиях использования.

Высокая востребованность первого поколения АВ для защиты электродвигателей низкого напряжения и серьезная конкуренция в этом сегменте стимулировали Siemens к разработке соответствующих АВ второго поколения 3RV2. Первоначально разработаны и выпускаются АВ на малые номинальные токи – 0,16…40 А в габаритах S00 и S0 (рисунок 3).

а)

а)

б)

б)

Рис. 3. АВ Siemens второго поколения 3RV2011 и 3RV2021 на номинальные токи 0,16…40 А
а) с пружинными контактами; б) с винтовыми клеммами для защиты электродвигателей

На примере АВ этой серии рассмотрим ассортимент дополнительных модулей и аксессуаров, применение которых позволяет существенно расширить функциональность базового электроаппарата. Схематично основной набор дополнительных модулей и места их установки на АВ показаны на рисунке 4. Цифрами обозначены следующие модули:Наиболее заметным отличием серии АВ 3RV20 по сравнению с аппаратами первого поколения 3RV10 является применение электронного максимального расцепителя. Ранее это имело место только для автоматических выключателей на большие номинальные токи. Распространение преимуществ электронной реализации максимального расцепителя (малое собственное тепловыделение, повышенные точность и стабильность работы) на самые младшие габариты АВ представляет собой значительный шаг в их совершенствовании. Для большинства типоразмеров АВ серии 3RV20 диапазон допустимых рабочих температур внутри шкафа управления расширен до 70°С (с небольшим уменьшением максимально допустимого тока по сравнению с номинальным), что упрощает их применение в условиях плотного монтажа. АВ серии 3RV20 имеют большой механический и электрический ресурс – 100000 переключений – и высокую отключающую способность в условиях КЗ.

Рис. 4. Дополнительные модули для расширения функциональных возможностей АВ серии 3RV20

Рис. 4. Дополнительные модули для расширения функциональных возможностей АВ серии 3RV20

  1. модуль вспомогательных контактов для фронтальной установки;
  2. модуль вспомогательных контактов для установки слева от АВ, имеющий две контактные группы (ширина модуля 9 мм);
  3. модуль вспомогательных контактов для установки слева от АВ, имеющий четыре контактные группы (ширина модуля – 18 мм);
  4. модуль независимого расцепителя, устанавливаемый справа отАВ (ширина модуля – 18 мм);
  5. модуль минимального расцепителя, устанавливаемый справа от АВ (может иметь исполнение со вспомогательными контактами с опережающей коммутацией);
  6. модуль вспомогательных контактов для дифференциальной сигнализации причины расцепления (ширина модуля – 18 мм);
  7. модуль создания видимого разрыва силовых цепей;
  8. терминальный блок, устанавливаемый на АВ, для обеспечения требуемых защитных расстояний перекрытия по поверхности и пробоя по воздуху для электроаппаратов типа Е (согласно UL508) – «самозащищенная пусковая комбинация для электродвигателей».

Все дополнительные модули могут быть смонтированы на АВ без применения инструментов. Имеется значительное количество других интересных и полезных аксессуаров:

  • система изолированных трехфазных сборных шин для быстрого и безопасного монтажа электроаппаратов модульной системы Sirius;
  • защитные кожухи и оболочки с соответствующими органами для управления АВ, позволяющие обеспечить степень защиты вплоть до IP65 и использовать АВ в тяжелых условиях окружающей среды;
  • переходные модули для удобной организации электрических соединений и механического крепления между АВ и другими электроаппаратами (например, силовыми механическими контакторами серии 3RT2, твердотельными контакторами 3RF34, устройствами плавного пуска серий 3RW30 и 3RW40), а также для организации пусковых комбинаций аппаратов;
  • механизм для управления АВ, установленным в закрытом шкафу, с возможностью механической блокировки АВ в состоянии «Отключено» тремя замками;
  • лампы с разноцветными линзами на номинальные напряжения 20, 240, 415 и 500 В.

Такое применение модульности для АВ позволяет получить оптимальные технические характеристики без переплаты за ненужные функции.

Благодаря популярности и широкому применению низковольтные АВ занимают видное место в линейке электроаппаратов, поставляемых компанией КОМПЭЛ. Основные параметры наиболее актуальных моделей этих автоматических выключателей, постоянно находящихся на складах компании, представлены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики наиболее популярных моделей автоматических выключателей Siemens для защиты электродвигателей

Наименование Номинальный продолжительный ток, А Диапазон регулировки уставки теплового расцепителя, А Уставка максимального расцепителя, А Особенности
3RV1011-0KA10 1,25 0,9…1,25 16 Примечания 1, 2
3RV1011-1AA10 1,6 1,1…1,6 21
3RV1011-1BA10 2 1,4…2,0 26
3RV1011-1DA10 3,2 2,2…3,2 42
3RV1011-1GA10 6,3 4,5…6,3 82
3RV1011-1HA10 8 5,5…8,0 104 Примечания 1, 3
3RV1011-1JA10 10 7,0…10 130
3RV1011-1KA10 12 9,0…12 156
3RV1021-1CA10 2,5 1,8…2,5 33 Примечания 2, 4
3RV1021-1EA10 4 2,8…4,0 52
3RV1021-1HA10 8 5,5…8,0 104
3RV1021-1KA10 12,5 9,0…12,5 163
3RV1021-4AA10 16 11…16 208 Примечания 3, 4
3RV1021-4BA10 20 14…20 260
3RV1021-4CA10 22 17…22 286
3RV1021-4DA10 25 20…25 325
3RV1031-4EA10 32 22…32 416
3RV1041-4LA10 90 70…90 1170
3RV2011-1AA10 1,6 1,1…1,6 21 Примечания 4…6
3RV2011-1DA10 3,2 2,2…3,2 42
3RV2011-1EA10 4 2,8…4,0 52
3RV2011-1JA10 10 7,0…10 130

Примечания:

  1. Кнопочное управление АВ.
  2. Предельная отключающая способность при напряжении питающей сети 400 В переменного тока ICU = 100 кА.
  3. Предельная отключающая способность при напряжении питающей сети 400 В переменного тока ICU = 50 кА.
  4. Управление АВ с помощью поворотной рукоятки.
  5. Электронный максимальный расцепитель.
  6. Предельная отключающая способность при напряжении питающей сети 460 В переменного тока ICU = 65 кА.

Автоматические выключатели Eaton

Еще одним законодателем моды в области конструирования и эффективного применения автоматических выключателей для защиты электродвигателей является компания Eaton. Выпускаемые ею АВ низкого напряжения используются в составе фирменной модульной системы xStart. Различные серии АВ оптимизированы для определенных областей применения. Наиболее совершенные серии АВ с электронными расцепителями рассматривались в публикациях [8, 9]. Для защиты электродвигателей выпускаются специальные серии АВ, как с одним максимальным расцепителем, так и c двумя – максимальным и тепловывм. Благодаря интеграции основных защитных функций в одном электроаппарате второй вариант наиболее востребован. АВ этой группы представлены сериями PKZM01 (на ряд номинальных токов 0,16…25 А, кнопочное управление), PKZM0 (номинальные токи 0,16…32 А, управление поворотной рукояткой) и PKZM4 (номинальные токи 16…63 А, управление поворотной рукояткой). Все эти АВ имеют простую и надежную классическую конструкцию с электромагнитным максимальным расцепителем и плавнорегулируемым тепловым расцепителем с биметаллическими элементами. Уставка срабатывания максимального расцепителя задана на уровне 14*IАВ ном. Тепловой расцепитель регулируется в диапазоне (0,6…1,0)*IАВ ном с термокомпенсацией характеристики срабатывания в диапазоне температур -25…55°С (при свободном монтаже АВ). Кроме того обеспечивается чувствительность (перестройка токо-временной защитной характеристики) к выпадению одной из фаз питающего напряжения в соответствии с требованиями IEC 60947-4-1 и VDE 0660. АВ указанных серий рассчитаны на работу в сетях переменного тока промышленной частоты с номинальным напряжением до 690 В (действующее значение). Неосновное, но возможное применение этих АВ – организация защиты в цепях постоянного тока. Ресурс АВ при переключениях без электрической нагрузки, а равно и при умеренно тяжелом режиме коммутации (AC-3 при напряжении в сети 400 В), составляет 50000 для серий PKZM01 и PKZM0, и 30000 – для серии PKZM4. Допустима частота срабатываний АВ до 25 в час. Рассматриваемые автоматические выключатели имеют достаточно высокую способность отключения токов КЗ, позволяющих во многих применениях использовать их без дополнительного плавкого предохранителя. Причем эти характеристики подробно нормированы для всех сочетаний номинальных токов АВ и напряжения питающей сети, с рекомендациями по номиналу плавкой вставки, если она все же требуется, а также имеются сертификаты основных международных и национальных испытательных центров, что позволяет применять эти автоматические выключатели в проектах по всему миру. Особенно высокие значения токов ICU и ICS имеют аппараты серии PKZM0. В сочетании с дополнительными навесными модулями токоограничения они надежно отключают токи КЗ до 100/150 кА при напряжении сети 440 В вплоть до старшей модели с номинальным током 32 А.

Рис. 5. Внешний вид АВ защиты электродвигателей серий PKZM01, PKZM0 и PKZM4 производства Eaton; унифицированные дополнительные модули для них

Рис. 5. Внешний вид АВ защиты электродвигателей серий PKZM01, PKZM0 и PKZM4 производства Eaton; унифицированные дополнительные модули для них

Для АВ серий PKZM01, PKZM0 и PKZM4 имеется обширный ассортимент унифицированных дополнительных модулей. Схема установки наиболее востребованных из них на базовый АВ представлена на рисунке 5. Цифрами обозначены следующие элементы:

  1. АВ серии PKZM01;
  2. АВ серии PKZM0;
  3. АВ серии PKZM4;
  4. поворотный механизм управления АВ серий PKZM0 и PKZM4 при закрытой крышке шкафа электроавтоматики;
  5. минимальный или независимый расцепители;
  6. различные варианты модулей вспомогательных контактов для установки сбоку АВ;
  7. модуль токоограничения, улучшающий характеристики ICU и ICS АВ;
  8. модуль вспомогательных контактов для фронтальной установки на АВ.

По аналогии с АВ производства Siemens для автоматов Eaton имеются и другие разнообразные аксессуары: оболочки со степенью защиты IP40, IP41, IP55 и IP65 с соответствующими органами управления и индикации состояния АВ; монтажные комплекты для создания пусковых комбинаций; шинные адаптеры и трехфазные изолированные сборные шины.

На примере современного высококачественного АВ серии PKZM4 рассмотрим типовые токо-временную защитную характеристику аппарата защиты стандартного электродвигателя (рисунок 6), характеристики токоограничения (рисунок 7), а также ограничения интеграла Джоуля (рисунок 8) при различных значениях расчетного тока КЗ.

Рис. 6. Типовая защитная токо-временная характеристика АВ для защиты электродвигателя серии PKZM4

Рис. 6. Типовая защитная токо-временная
характеристика АВ для защиты электродвигателя серии PKZM4

Рис. 7. Токоограничивающее действие АВ серии PKZM4 при отключении токов КЗ

Рис. 7. Токоограничивающее действие АВ серии PKZM4 при отключении токов КЗ

Рис. 8. Ограничение интеграла Джоуля автоматическими выключателями серии PKZM4 при отключении токов КЗ

Рис. 8. Ограничение интеграла Джоуля автоматическими выключателями серии PKZM4 при отключении токов КЗ

Срабатывание максимального расцепителя происходит в течение не более 20 мс. Тепловой расцепитель приблизительно соответствует защите Class10 и предохраняет электродвигатель и фидер от большинства аварийных ситуаций вроде заклинивания ротора или чрезмерной механической нагрузки и недопустимо высокой частоты пусков электропривода.

На рисунке 7 показано, как АВ серии PKZM4 ограничивает амплитуду отключаемого им тока КЗ по сравнению с установившимся током КЗ (в отсутствии защитного аппарата или при его очень медленном действии). Наиболее эффективно действует модель с наименьшим номинальным током – 16 А. При расчетном токе КЗ 50 кА, этот автоматический выключатель снижает пиковое значение тока почти на порядок! Характеристики АВ на повышенные номинальные токи не столь впечатляющие, но даже старшая модель с номинальным током 63 А уменьшает ток КЗ до пяти раз. Важно, что наиболее эффективно ограничиваются самые большие токи КЗ, когда их действие самое опасное.

Термическое действие тока КЗ, оказывающее разрушительное влияние на проводники и электроаппараты, определяется величиной интеграла квадрата тока в контуре КЗ (интегралом Джоуля). Если защитный аппарат способен уменьшить величину этого интеграла – сильно улучшается устойчивость оборудования при КЗ, и в составе фидера можно использовать менее стойкие комплектующие. АВ серии PKZM4 с эффективной системой магнитного дутья, ограничивая ток КЗ уже в первом полупериоде сетевой частоты, снижает интеграл Джоуля на 1…2,5 порядка. Причем наибольший защитный эффект достигается на максимальных токах КЗ. Указанные на рисунке 8 характеристики ограничения интеграла Джоуля выключателями серии PKZM4 соответствуют самому высокому, третьему классу защиты по EN 60898. В совокупности большой допустимый отключаемый ток КЗ, сильный токоограничивающий эффект и защита от термического действия тока КЗ позволяют значительно упростить построение фидера, снизить требования к оборудованию и повысить надежность работы.

Помимо отличных электрических характеристик и эксплуатационной надежности, АВ серий PKZM01, PKZM0 и PKZM4, как и другие аппараты фирменной модульной системы xStart, оптимизированы для обеспечения максимально простого, быстрого и бюджетного безинструментального монтажа и безопасного обслуживания, а также последующих проверок оборудования, использования в составе пусковых комбинаций с высокой заводской готовностью, значительного снижения занимаемого объема в шкафу электроавтоматики и потребляемой обмотками управления мощности [10]. Сокращение номенклатуры электроаппаратов и унификация дополнительных модулей эффективно уменьшают складские запасы. Основные параметры наиболее актуальных моделей АВ для защиты электродвигателей серий PKZM01, PKZM0 и PKZM4 производства Eaton представлены в таблице 2.

Таблица 2. Характеристики АВ Eaton для защиты электродвигателей серий PKZM01, PKZM0 и PKZM4

Наименование Номинальный продолжительный ток, А Диапазон регулировки уставки теплового расцепителя, А Уставка максимального расцепителя, А Особенности
PKZM0-0,4 0,4 0,25…0,4 5,6 Примечания 1, 2
PKZM0-1 1 0,63…1,0 14
PKZM0-1,6 1,6 1,0…1,6 22
PKZM0-2,5 2,5 1,6…2,5 35
PKZM0-4 4 2,5…4,0 56
PKZM0-6,3 6,3 4,0…6,3 88
PKZM0-10 10 6,3…10 140
PKZM0-20 20 16…20 280 Примечания 1, 3
PKZM0-25 25 20…25 350
PKZM0-32 32 25…32 448
PKZM01-1,6 1,6 1,0…1,6 22 Примечания 4, 5
PKZM01-2,5 2,5 1,6…2,5 35
PKZM01-16 16 10…16 224 Примечания 3, 4
PKZM4-40 40 32…40 560 Примечания 1, 6
PKZM4-58 58 50…58 812
PKZM4-63 65 55…65 882

Примечания:

  1. Управление АВ с помощью поворотной рукоятки.
  2. Предельная отключающая способность при напряжении питающей сети 400 В переменного тока ICU = ICS = 150 кА.
  3. Предельная отключающая способность при напряжении питающей сети 400 В переменного тока ICU = 50 кА и ICS = 10 кА.
  4. Кнопочное управление АВ.
  5. Предельная отключающая способность при напряжении питающей сети 400 В переменного тока ICU = ICS = 50 кА.
  6. Предельная отключающая способность при напряжении питающей сети 400 В переменного тока ICU = 50 кА и ICS = 25 кА.

 

Автоматические выключатели ETI

Рассмотренные ранее на примерах продукции компаний Siemens и Eaton серии автоматических выключателей для защиты электродвигателей высшего класса имеют достаточно высокие цены. Для целого ряда применений интересны АВ с несколько худшими техническими характеристиками, если они существенно дешевле. К числу изготовителей АВ с такими свойствами принадлежит словенская компания ETI, имеющая более чем шестидесятилетний опыт разработки и производства всего спектра низковольтных электроаппаратов. Как и у более маститых изготовителей, АВ компании ETI представлены несколькими сериями, специализированными для определенных областей применения и интегрированными в собственную модульную систему аппаратов. Для реализации защиты электродвигателей компания ETI предлагает серии АВ MS25 и MPE25 [11]. Хотя обе серии одинаково предназначены для пуска электродвигателя небольшой мощности и его защиты от КЗ и перегрузки, а также рассчитаны на один и тот же диапазон номинальных токов – выпускаются по 14 моделей от 0,16…32 А – они имеют некоторые важные различия в характеристиках, позволяющие оптимизировать проект системы питания электропривода. Однако сериям свойственны и одинаковые параметры:

  • работа в сетях переменного тока с номинальным напряжением до 690 В;
  • механический и электрический ресурс АВ – 100000 переключений;
  • срабатывание максимального расцепителя при 12*IАВ ном, а диапазон регулировки теплового расцепителя – (0,6…1,0)*IАВ ном;
  • чувствительность теплового расцепителя к выпадению фазы питающего напряжения.

АВ серии MS25, показанные на рисунке 9, имеют кнопочное управление. Они предназначены для работы при температуре окружающей среды -20…50°С при произвольном расположении в пространстве. АВ допускают довольно высокую частоту переключений – до 100 раз в час. В сочетании с большим ресурсом, в том числе – в режиме АС-3 при напряжении питающей сети 690 В, они привлекательны для использования в недорогих системах питания электродвигателей, где АВ совмещает функции защиты с решением задачи управления электродвигателем (прямой пуск и останов). С другой стороны, отключающая способность большинства моделей АВ серии MS25 сравнительно невысокая – единицы килоампер, поэтому во многих применениях требуется дополнительная защита фидеров от КЗ плавкими предохранителями. АВ серии MS25 соответствуют требованиям стандартов IEC 60947-3 и VDE0660. Для использования вместе с автоматическими выключателями компания ETI предлагает широкий ассортимент дополнительных модулей и аксессуаров, обеспечивающих все те же функции, что и у ранее рассмотренных АВ более высокого класса.

Рис. 9. Автоматические выключатели производства ETI для защиты электродвигателей серии MS25 на номинальный ток 4 А

Рис. 9. Автоматические выключатели производства ETI для защиты электродвигателей серии MS25 на номинальный ток 4 А

Рис. 10. Внешний вид АВ серии MPE25

Рис. 10. Внешний вид АВ серии MPE25

Рис. 11. Типовая токо-временная защитная характеристика АВ ETI серии MPE25

Рис. 11. Типовая токо-временная защитная характеристика АВ ETI серии MPE25

АВ серии MPE25, показанные на рисунке 10, имеют управление с помощью поворотной рукоятки. Они предназначены для работы при температуре -20…35°С при произвольном расположении в пространстве и высоте над уровнем моря не более 2000 м. На рисунке 11 показана типовая токо-временная защитная характеристика АВ MPE25. Она соответствует температуре окружающей среды 20°С и срабатыванию теплового расцепителя из холодного состояния (то есть, если перегрузка возникла сразу же при включении электропривода). В случае же продолжительного предварительного прогрева теплового расцепителя номинальным током, время срабатывания защиты сокращается приблизительно в 4 раза по сравнению с показанными на рисунке 11 значениями, что оптимально для защиты электродвигателя и фидера питания. Одновременно обеспечивается температурная компенсация величины граничного тока срабатывания теплового расцепителя в диапазоне температур – 20…60°С. При штатной работе автоматического выключателя предполагается, что имеет место равномерная токовая нагрузка по всем трем фазам. Однако, как видно на рисунке 11, также обеспечивается чувствительность защиты от перегрузки к потере фазы питания.

АВ серии MPE25 допускают до 15 переключений в час. Они имеют достаточно высокую отключающую способность в отношении токов КЗ и токоограничивающее действие при КЗ, почти не уступающие соответствующим характеристикам ранее рассмотренных высококачественных автоматических выключателей. Это подтверждается сертификацией в основных мировых испытательных центрах: АВ соответствуют IEC/EN 60947, DIN VDE 0660, UL508, CSA. Для серии MPE25 имеются разнообразные аксессуары – модули вспомогательных контактов для фронтальной и боковой установки на АВ, минимальный и независимый расцепители, щиты/оболочки до степени защиты IP55, замки для блокировки в отключенном состоянии, удлинители поворотной рукоятки, сигнальные лампы, изолированные монтажные шины, соединительные модули для объединения с силовыми контакторами в пусковые комбинации.

В таблице 3 представлены наиболее популярные модели и основные параметры АВ ETI для защиты электродвигателей, постоянно находящиеся на складах КОМПЭЛ.

Таблица 3. Характеристики АВ ETI для защиты электродвигателей серий MS25 и MPE25

Наименование Заказной номер Номинальный продолжительный ток, А Диапазон регулировки уставки теплового расцепителя, А Уставка максимального расцепителя, А Особенности
MS25-1,6 4600060 1,6 1,0…1,6 17,6…20,8 Примечания 1, 2
MS25-2,5 4600070 2,5 1,6…2,5 27,5…32,5
MS25-16 4600110 16 10…16 176…208 Примечания 1, 3
MРЕ25-0,40 4648003 0,4 0,25…0,4 4,8 Примечания 4, 5
MРЕ25-1,0 4648005 1 0,63…1,0 12
MРЕ25-1,6 4648006 1,6 1,0…1,6 19
MРЕ25-2,5 4648007 2,5 1,6…2,5 30
MРЕ25-4,0 4648008 4 2,5…4,0 48
MРЕ25-6,3 4648009 6,3 4,0…6,3 75
MРЕ25-10 4648010 10 6,3…10 120
MРЕ25-16 4648011 16 10…16 190 Примечания 4, 6
MРЕ25-20 4648012 20 16…20 240
MРЕ25-25 4648013 25 20…25 300
MРЕ25-32 4648014 32 25…32 384

Примечания:

  1. Кнопочное управление АВ.
  2. Устойчивое отключение всех ожидаемых токов КЗ.
  3. Предельная отключающая способность при напряжении питающей сети 400 В переменного тока ICU = 4 кА.
  4. Управление АВ с помощью поворотной рукоятки.
  5. Предельная отключающая способность при напряжении питающей сети 400 В переменного тока ICU = ICS = 100 кА.
  6. Предельная отключающая способность при напряжении питающей сети 400 В переменного тока ICU = 50 кА и ICS = 25 кА.

 

Заключение

Современные автоматические выключатели обеспечивают эффективную защиту системы питания электропривода от КЗ. Специально для защиты электродвигателя имеются серии АВ, включающие в себя реле перегрузки. Наиболее широко применяются АВ классической конструкции с электромагнитным максимальным расцепителем и биметаллическим тепловым расцепителем. КОМПЭЛ предоставляет возможность выбора между моделями подобных АВ с исключительно высокими электрическими характеристиками и надежностью от мировых лидеров, и продукцией производителей второго эшелона, сочетающей неплохие технические параметры, достаточную надежность и весьма привлекательные цены.

 

Литература

  1. М. Румянцев «Высоковольтные ИС для промышленного привода»//Новости электроники №7/2007, с. 18…22 и №10/2007, с. 13…15.
  2. Solutions for industrial drives. Electronic speed-control systems save energy and increase performance/Infineon, 04/2013, 12 p.
  3. SIRIUS Modular System. Highly flexible system-based switching, protecting and starting. Answers for Industry/Siemens AG, Order No.: E20001-A380-P302V8-7600. 08/2013, 44 p.
  4. xStart. Пуск и защита электродвигателей/Eaton, Moeller. Каталог продукции 2010, с. 222.
  5. А. Попов, С. Попов «Тепловые реле Siemens и Eaton»//Новости электроники+Автоматика №3/2014.
  6. «Аппараты защиты. LV1_05_2009_3RV_3RU_3RB_RU»/Siemens AG, 2009, p. 62.
  7. А. Попов, С. Попов «УПП Сименс»//Новости электроники+Автоматика №2/2014.
  8. Д. Калинин «С модульной архитектурой: автоматы для защиты двигателей PKE»//Новости электроники+Автоматика№3/2011, с. 8…17.
  9. Д. Калинин «Все для электросети от компании Eaton: коммутация, защита и обмен данными»//Новости электроники+Автоматика, №1/2012, с. 5…9.
  10. xStart: efficient solutions for motor control/Moeller, 2004, p. 32.
  11. ETI. Power needs control/Эле­ктротехническое оборудование. Каталог продукции 2013, с. 584.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

Siemens_3RV2011-1AA10__opt