Пусковой выключатель для электродвигателя

Для пуска, реверсирования, принудительной остановки противотоком асинхронных электродвигателей электрики используются контакторы и магнитные пускатели. От правильности выбора коммутационной аппаратуры зависит, как и безотказность системы в целом, так и электробезопасность обслуживающего персонала.

Выбор пускателя и избыточным коммутируемым током ведет к большим финансовым затратам, при его коммутации слышны шлепки большей громкости, чем те что издают маленькие пускатели. Недостаточные по коммутируемой мощности пускатели долго не прослужат, будут греться, и подгорать клеммники и контакты. В результате переходное сопротивление контакта будет расти до тех пор, пока контакт не исчезнет полностью, что приведет к преждевременной замене аппарата.

Автоматические выключатели также должны быть правильно подобраны, особенно при тяжелом пуске двигателя. Слишком чувствительный автомат будет выбивать при пуске, а если он наоборот взят с излишним запасом по току, то в аварийной ситуации может и не отреагировать, что приведет к повреждению кабеля, обмотки двигателя вплоть до возгорания.

Пуск для электродвигателя сопровождается повышенным током в период разгона его до номинальных оборотов, в случае перегрузки и нехватки мощности двигателя для вращения исполнительных механизмов возможно пониженное число оборотов с повышенными токами, в плоть до того, что он вообще не начнет раскручиваться. И наоборот если мощность двигателя избыточна, то потребляемый им ток будет ниже номинального.

Из-за вышеперечисленных причин и появляется необходимость правильного подбора пусковой и защитной аппаратуры в виде магнитных пускателей, контакторов, тепловых реле и автоматических выключателей.

Автоматические выключатели устанавливаются до магнитного пускателя, чтобы в случае необходимости полностью обесточить систему, как силовую цепь, так и цепь управления (питания катушки).

Вместо автоматических выключателей могут использоваться плавкие вставки или предохранители, но в последнее время такие решения встречаются реже, чем раньше. Это усложняет обслуживание и вызывает необходимость иметь в запасе хотя бы комплект предохранителей.

Выбор магнитного пускателя

Магнитные пускатели выпускаются на определенный номинальный ток, из ряда: 6.3 – 10 – 25 – 40 – 63 – 100 – 160 – 250

Часто их разделяют не по токам, а по величинам от 0 до 7, чем больше ток (или величина пускателя) тем больше его габариты и площадь контактов. Опытный электромонтер может отличить по размеру корпуса, конструкции дугогасителя и габаритам контактных площадок примерный коммутируемые ток и напряжение.

Однако если номинальный ток пускателя соответствует току двигателя, это еще не значит, что их можно использовать в паре. Если такое понятие как категория применения, она характеризует режим работы коммутируемой аппаратуры, частоту и условия коммутации. Иначе говоря – это способность переносить пусковые токи. Пусковые токи асинхронного двигателя могут превышать номинальные и в 10 раз, это зависит от условий пуска, напряжения в сети и прочих факторов.

Категории применения обозначаются: «АС-номеркатегории». Сводная таблица величин и категорий применения для магнитных пускателей расположена ниже.

Из неё нас интересует строка «АС-3 – управления двигателями с короткозамкнутым ротором (пуск, отключение без предварительной остановки)». Из этого очевидно, что коммутационные аппараты с такой категорией созданы для того, что бы включать и отключать электродвигателя. Они выдерживают прямой пуск.

Далее нужно определиться с номинальным током пускателя. Для этого нам нужно знать технические характеристики коммутируемого двигателя, а именно:

cos Ф – коэффициент мощности,

P – мощность двигателя номинальная;

U – рабочее напряжение (коммутируемое);

Тогда номинальный ток пускателя равен:

Для быстрых расчетов иногда применяют другую методику, когда мощность двигателя умножают на 2 и получают номинальный ток (приблизительно).

Далее нужно определить пусковой ток, в справочниках это указывается либо как «k» либо как «Iп/Iн». Это кратность или соотношение пускового тока к номинальному. Показывает, насколько ток в момент пуска превышает номинальную величину.

Пускатель с категорией применения АС-3 может коммутировать ток в 5-7 раз больше чем номинальный, для чего это сказано я покажу при расчетах ниже.

Выбираем пускатель

Допустим, у нас есть асинхронный двигатель с мощностью 2.2 кВт типа 4АМ100L6У3. На его шильдике написано, что кпд 81.0%, коэффициент мощности – 0.73, в интернете я нашел его технические данные, чтобы узнать кратность пускового тока, она оказалась – 5.5

1. Быстрый способ: IН=2.2*2 = 4.4А

2. Сложный способ: IНОМ=2200/(380*0.81*0.73*1.73)=5.6А

Результаты такого расчета дали больший ток.

Теперь считаем пусковой ток: IП=5.6*5.5=30.8А

Подбираем пускатель, с номинальным током более чем 5.6 А, с категорией применения АС-3. В результате обзора рынка, нам подходит пускатель ПМЕ 111 на 10А с тепловым реле.

Выбор автоматического выключателя

Автомат может сработать при пуске или затяжном пуске электродвигателя, когда потребляемый ток значительно превышает максимальный. В автоматическом выключателе за защиту отвечают два узла:

1. Электромагнитный расцепитель. Срабатывает при пиковом токе перегрузке. Этот ток зависит от типа автомата.

2. Тепловой расцепитель. Срабатывает при незначительном но длительном превышении номинального тока.

Номинальный ток двигателя у нас 5.6 А, значит нам нужен автомат не меньше этого значения. Типы автоматов куказывают на доустипое превышение по току в пике:

тип D – 10-50 раз.

Так как у нас пусковой ток в 5.5 раз больше чем номинальный, это значит что нам подходит автомат типа С и D. Например, автоматический разъединитель EZ9F34306 Schneider Easy9, рассчитан на 6 А и его тип C, позволит выдержать пусковые токи до 60 А.

Но такой автомат будет работать на пределе да и реальная уставка по току может быть ниже 5.5, т.к. тип С находится в пределах 5-10, нужен запас по току хотя бы в 20%.

Поэтому лучше установить автоматический выключатель на тот же ток или немного больший, но типа D, например ИЭК 6-8А ВА47-29

Или на ток 10А с типом C, например PL4-C10/3 Moeller / Eaton

Требования к автомату заключаются в том, чтобы он стабильно выдерживал номинальный ток, и его не выбило при пуске. Если планируется режим работы двигателя с частыми включения и выключениями лучше использовать автомат типа D, он менее чувствителен к всплескам тока.

Заключение

Автоматический выключатель нужен для защиты питающего кабеля и дополнительной защиты двигателя, в случае затяжного пуска или заклинивания вала, дополнительно лучше использовать тепловую защиту. Магнитный пускатель должен выдерживать как напряжение, так и ток, который он будет коммутировать.

Электродвигатель должен быть исправен, отсутствовать витковые замыкания, а его вал должен свободно вращаться. В случае пуска двигателя под нагрузкой лучше брать коммутационную аппаратуру с запасом до 2-х раз для уменьшения вероятности преждевременного подгорания контактов и ложных срабатываний автоматического выключателя.

Питающий кабель должен соответствовать номинальному току, с учетом пусковых токов, как и способ соединения кабеля (использование гильз, наконечников, клеммников и прочего). Состояние всех соединений должно быть в норме – отсутствовать окислы, нагар и прочие механические дефекты, которые могут уменьшить площадь прилягания контакта.

Выбирая автоматические выключатели для защиты двигателей, мы должны учитывать, что при пуске электродвигателя, возникает пусковой ток, превышающий в 5 — 7 раз номинального значения.

Автоматические выключатели выбираются по условиям:

• Uном. – номинальное напряжение, В;
• Uном.сети – номинальное напряжение сети, В.

• Iном.расц. – номинальный ток расцепителя выключателя, А;
• Iном.дв. – номинальный ток электродвигателя, А.

Ток уставки электромагнитного и полупроводникового расцепителя выбирается по формуле [Л1,с. 106]:

Для приближенного расчета тока уставки электромагнитного и полупроводникового расцепителя, можно принять по таблице 6.1 [Л1,с. 107].

Таблица 6.1 – Значения коэффициентов для расчета тока срабатывания отсечки автоматических выключателей, устанавливаемых в цепях электродвигателей

Автоматический выключателиь	Расцепитель			kз	kа	kр	kн
А3700; А3790	Полупроводниковый		РП	1,1	1,0	1,3	1,5
ВА			БПР
"Электрон"			РМТ			1,35	1,6
			МТЗ-1		1,4		2,2
АВМ	Электромагнитный				1,4	1,1	1,8
А3110; АП-50; А3700; ВА; АЕ20						1,3	2,1
А3120; А3130; А3140						1,15	1,9

Надежность срабатывания автомата при двухфазном и однофазном коротком замыкании при КЗ на выводах электродвигателя определяется коэффициентом чувствительности и рассчитывается по формуле [Л1,с. 107]:

При отсутствии значений по коэффициенту разбросу kp, рекомендуется принимать коэффициент чувствительности в пределах 1,4-1,5.

В случае если чувствительности защиты от междуфазных КЗ недостаточно, следует принять следующие меры:

• уточнить значение Iс.о с учетом влияния сопротивления внешней сети на пусковой ток электродвигателя;
• выбрать другой тип АВ;
• увеличить сечение кабеля на одну, две ступени, но не больше;
• применить выносную релейную защиту.

При недостаточной чувствительности защиты от однофазных КЗ, следует принять следующие меры:

• применить кабель другой конструкции с нулевой жилой, алюминиевой оболочкой;
• проложить дополнительные зануляющие металлические связи;
• применить АВ со встроенной защитой от однофазных КЗ;
• применить выносную релейную защиту от однофазных КЗ, ток срабатывания данной защиты принимается 0,5-1*Iном.дв. Коэффициент чувствительности kч > 1,5, согласно ПУЭ 7-издание;

Выбор тока срабатывания для теплового и электромагнитного (комбинированного) расцепителя автоматического выключателя

Для того, чтобы защитить двигатель от перегрузки, то есть от повреждений, вызываемых длительным протеканием тока превышающего номинальный, нужно использовать тепловые и электромагнитные (комбинированные) расцепители. Номинальный ток теплового расцепителя определяется по формуле [Л1. с 109]:

Данные коэффициенты определяются для разных типов выключателя по таблице 6.2 [Л1. с 112].

Таблица 6.2 – Значения коэффициентов для расчета тока срабатывания защиты от перегрузки автоматических выключателей

Автоматический выключателиь	Расцепитель		kз	kр	kн = kз*kр	kв
А3700; АЕ20	Тепловой		—	—	1,15	1
А3110; АП50					1,25	1
ВА51; ВА52					1,2-1,35	1
АВМ	Электромагнитный		1,1	1,1	1,2	0,5-0,7
А3700	Полупроводни- ковый	РП	1,1	1,15-1,2	1,27-1,32	0,97-0,98
"Электрон"	МТЗ-1, РМТ	1,1	1,15-1,35	1,27-1,49	0,75
ВА	БПР	1,1	1,08-1,2	1,19-1,32	0,97-0,98

Общая формула по определению тока теплового расцепителя, имеет следующий вид:

Время срабатывания защиты от перегрузки выбирается из условия, что защита не будет срабатывать при пуске и самозапуске двигателя [Л1. с 112]:

Продолжительность пуска для двигателей с тяжёлыми условиями пуска, составляет более 5 – 10 сек, например для двигателей центрифуг, дробилок, шаровых мельниц и т.д и для двигателей с лёгкими условиями пуска равным 0,5 – 2 с, например для двигателей вентиляторов, насосов, главных приводов металлорежущих станков и механизмов с аналогичным режимом работы.

Проверка чувствительности при однофазных КЗ

Данную проверку нужно выполнять, если для отключения однофазных КЗ используется защита от перегрузки. В настоящее время ПУЭ 7-издание п. 1.7.79 предъявляет требования, чтобы время отключение выключателя тока однофазного КЗ не превышало 0,4 с.

1. Беляев А.В. Выбор аппаратуры, защит и кабелей в сети 0,4 кВ. Учебное пособие. 2008 г.

Редуктора, насосы, вентиляторы и прочие механизмы объединяет использование приводных электродвигателей. Безопасная их работа возможна, если соблюдается правильная схема подключения пускателя – коммутирующего устройства релейного типа.

• Что собой представляет пускатель?
• Основные схемы подключения пускателей

• Нереверсивная схема
• Реверсивная схема
• Схема комбинации звезды и треугольника

Специфические виды пускателей и схемы их работы

Тиристорные пускатели и схема их включения

Пускатели типа ПВР-125р и ПВИ-250 В

Подключение терморегуляторов посредством пусковых реле

Формирование АВР на пускателях

Что собой представляет пускатель?

С технической точки зрения, электромагнитный пускатель – это, по сути, не что иное, как контактор, но более совершенный (модифицированный), с более широким набором функций. Достигается это через комплектование различными дополнительными узлами, что переводит его в ранг комбинированных устройств, которые позволяют:

• Подключать и отключать электродвигатель от цепи;
• Осуществлять реверс (изменение направления вращения);
• Обеспечивать защиту двигателя от перегрузок (срабатывает тепловое реле);
• Осуществлять аварийное отключение при обрыве фаз;
• Поддерживать работу цепей управления, в которых используются пусковые органы;
• Контроль и оповещение о работе силовых цепей управления.

Строение электромагнитный пускателя

Практически любой пускатель состоит из следующих основных частей:

• Электромагнитная часть. Это катушка, которая состоит из двух раздельных пластинчатых блоков: подвижного (якорь) и неподвижного (сердечник). Наборная схема магнитных элементов выбрана, чтобы снизить номиналы возникающих вихревых токов;
• Система главных контактов. Одна пара контактов расположена на блоке с якорем, имя с ним механическую связь. Вторая – на корпусе. Эти контакты используются, когда необходимо коммутировать силовые мощные нагрузки;
• Система блокировочных контактов. Дополнительная подпружиненная пара контактов для коммутации в управляющих сетях;
• Система возврата. В большинстве случаев представляет собой пружину, которая возвращает якорь в исходное положение после обрыва питания, то есть, размыкает главные контакты.

Количество контактных силовых пар может варьироваться от 3 до 5. Катушка также может иметь различную конструкцию, в зависимости от напряжения включения: 220В и 380В. В корпусе клеммы электромагнита подключают между фазным и заземляющим контактами при напряжении 220В, или между фазными – при 380В.

Основные схемы подключения пускателей

На практике, используется три основных вида схем подключения пускателей: прямая, реверсивная и звезда-треугольник. Каждая из них в свою очередь может быть разделена на подвиды в зависимости от напряжения.

Нереверсивная схема

Эта методика применяется, если нет необходимости менять в процессе работы направление вращения двигателя. В базовом исполнении, для 220 вольтовых катушек подобные схемы будут иметь вид:

Та же схема, но для 380 вольтовых катушек:

В состав каждой из них входят следующие элементы:

• Автомат включения (QF);
• Магнитный пускатель (KM1);
• Блокирующие контакты (БК);
• Реле тепловой защиты (P);
• Двигатель асинхронного типа (M);
• Предохранительный элемент (ПР);
• Органы управления или кнопки (Пуск, Стоп).

После подключения питания через автоматический выключатель QF, нажимается кнопка Пуск, которая замыкает контакты и подает напряжение на КМ1 Он осуществляет ввод в работу двигателя. После этого, кнопку Пуск можно отпустить, так как сработает блокировка на контактах БК. Отключение питания в автоматическом режиме происходит при падении напряжения (размыкаются удерживающие контакты БК) или перегрузке (срабатывает тепловое реле или предохранитель). Также можно остановить подачу напряжения вручную, через кнопку Стоп.

Реверсивная схема

Когда есть необходимость менять направление вращения электродвигателя, используют реверс, который базируется на блоке пускателей. Схемы подключения устройств для 220 и 380 вольт будут иметь следующий вид:

Реверсивная схема схема №1

Реверсивная схема схема №2

Как можно видеть, здесь присутствуют те же элементы, что и в нереверсивных схемах, но добавлен еще один пускатель (КМ2) и кнопка для его запуска (Пуск2). Изменение направления вращения происходит за счет смены фаз. Но необходимо учесть ряд ключевых моментов, в частности предотвращение одновременного включения двух коммутаторов во избежание короткого замыкания. При подаче напряжения через автомат QF, включается пусковая кнопка на первый контактор (Пуск1, КМ1). В это же время происходит расщепление нормально замкнутых контактов БК1 перед реверсной кнопкой. Обратный ход включается аналогично, через Пуск 2, но перед этим необходимо отключить питание – Стоп (С).

Схема комбинации звезды и треугольника

Схемы «звезда» и «треугольник» являются наиболее распространенными при подключении двигателя к электрической линии. В первом случае он будет работать плавно, но не сможет развить полную мощность. Соединение треугольником, в свою очередь, не дает столь ровных оборотов, но позволяет развить полную мощность, вплоть до полуторакратной паспортной.

В двигателях большой мощности часто используют интересный ход: первоначальный плавный ввод организовывается по звезде, а после выхода на необходимые обороты, автоматически переходят на треугольник. Это позволяет в том числе значительно снизить потребляемые пусковые токи. Примерная схема включения пускателя и реле времени в таком режиме будет иметь следующий вид:

Специфические виды пускателей и схемы их работы

Помимо типичных задач, эти устройства, в силу своего функционала, могут использоваться и в более специфических условиях. Рассмотрим их кратко на примере тиристорного пускателя, взрывозащищенных коммутаторов типа ПВР-125р и ПВИ-250 В, подключения через контакторы терморегуляторов и организация АВР.

Тиристорные пускатели и схема их включения

Особенность данного типа пусковых реле состоит в том, что в них не используется метод прямого физического разрыва цепи. То есть, они являются бесконтактными и в принципе лишены ключевых недостатков привычных устройств (механического износа контактов, образования дуги и т.д.). Правильно включить электродвигатель можно на тиристорных устройствах ПТ, схема подключения которых выглядит следующим образом:

В цепи задействованы следующие элементы:

• L1, L2, L3 – фазные провода (полюса);
• ТА1, ТА 2 – трансформаторы тока;
• R1, R 2 – резисторы;
• VD1, VD 2 – транзисторы;
• VS1…VS6 – тиристоры;
• БУ – блок управления;
• SB1, SB2 – кнопки «Пуск» и «Стоп».

Пускатели типа ПВР-125р и ПВИ-250 В

Электродвигатели используются не только в более-менее привычных нам условиях: к примеру, на различных горнодобывающих предприятиях, шахтах и т.п., где сохраняется потенциальная взрывоопасная обстановка, запыленность и прочие негативные факторы. Следовательно, исполнение пусковых устройств должно предусматривать подобные ситуации. В таких условиях находят применение релейные модули ПВР-125р и ПВИ-250 В(БТ).

Пускатель типа ПВР является реверсивным модульным блоком, который монтируется во взрывозащищенном корпусе. Он используется для ввода в работу трехфазных электродвигателей различно горнодобывающей техники, работающей в выработке угольных шахт. К ПВР предъявляются особые требования в части противодействия метану и пыли.

Пускатель ПВИ-250 В (БТ, Д) используется в таких же условиях, как и ПВР, но исходя из маркировки обладает еще и искрозащитой. Предназначен для включения и выключения двигателей шахтной техники. Через ПВИ-250 обеспечивается дополнительная защита от возможных коротких замыканий или перегрузок в сети.

Пускатель ПВИ-250 В

Подключение терморегуляторов посредством пусковых реле

Теплый пол или обогреватель инфракрасного типа дополнительно комплектуются терморегуляторами, для поддержки необходимого температурного фона. Использовать их можно не только в бытовых, но и в промышленных масштабах. Примерная схема подключения такой системы, когда терморегулятор цепи подключают не напрямую, а через контактор, выглядит следующим образом:

Формирование АВР на пускателях

Еще одним случаем, когда востребовано использование коммутаторов, является обустройство систем АВР (аварийного ввода резерва). Таким образом повышается надежность электроснабжения, поскольку существует как минимум два его источника. Правильно организовать узел ввода на АВР можно по такой схеме:

Здесь можно видеть два источника питания (1 и 2), автоматические выключатели на каждой из линий (АВ1, АВ2), пускатели и их контактные узлы (ПМ1 и ПМ2). На случай, если источники электроэнергии не являются полностью независимыми (например, одна из линий идет от условного соседа), в схеме предусмотрено реле контроля напряжения РКН, которое выбирает гарантированную линию ввода.

Пусковые магнитные устройства являются одними из важнейших элементов для правильного ввода в работу электрооборудования, в частности, двигателей синхронного типа, в том числе и в опасных условиях шахт (речь идет о контакторах ПВР и ПВИ). Подключение может быть организовано по прямой, реверсивной и комбинированной схеме (звезда-треугольник). Кроме того, пускатели находят широкое применение и в других областях, где нет необходимости использования двигателей, например, для организации подвода питания к домовым сетям или к системам обогрева по терморегуляторам, по прямому или резервному источнику (АВР).