На основі проведених стендових випробувань визначено ступінь надійності спрацьовування реле захисту асинхронних електричних двигунів в аварійних режимах роботи та розроблені рекомендації з їхнього вдосконалення.

Постановка проблеми.

Відомо, що на ефективність використання робочих машин і механізмів в умовах сільськогосподарського виробництва суттєво впливає експлуатаційна надійність електропривода.

Висока аварійність асинхронних електричних двигунів (АЕД) обумовлює необхідність вдосконалення існуючих або розробки нових засобів захисту від аварійних режимів роботи. Матеріал статті є результатом серії експериментальних досліджень пристроїв захисту АЕД від аварійних режимів роботи, розроблених ОАО електротехнічний завод РЕЛСІС з метою визначення доцільності встановлених функціональних можливостей та чи є необхідність їх вдосконалення.

Аналіз останніх досліджень і публікацій.

Заходи щодо підвищення надійності електродвигунів пов’язані з визначенням причин відмов, так наприклад, якщо якась частина АЕД виходить з ладу через перевищення струму в обмотках, то необхідні заходи, які здатні звести до мінімуму аварійність з причини перевантаження, які викликані гальмуванням ротора з боку робочого механізму. При неповнофазному режимі, зниженні або при несиметрії напруги живлення, та при порушенні умов охолодження АЕД, основним заходом вважається використання дієвого захисту від перевантажень по струму.

Зрозуміло - чим більша кількість відмов АЕД, тим більш дієвим повинен бути захист від перевантажень по струму. Однак у разі наявності різко змінного навантаження використання тільки захисту, який вимикає двигун, є недостатнім. У таких випадках доцільно застосувати захист від технологічних перевантажень, наприклад систему автоматичного регулювання завантаження сировиною в електроприводі універсальних дробарок.

Іншою важливою причиною виходу з ладу АЕД є зволоження ізоляції обмоток. Радикальним заходом для підвищення надійності в цьому випадку є застосування спеціального обладнання, наприклад, двигуни морозостійкого виконання розраховані для роботи при температурі навколишнього середовищ в діапазоні від -45С до + 40С і відносній вологості до 100 % при температурі +25 С. АЕД хімічно-стійкого виконання призначені для використання в умовах сільськогосподарського виробництва, працюють в середовищі з відносною вологістю до 80 % при температурі +25 С, а спеціальні АЕД сільськогосподарського виконання – в середовищі з відносною вологістю 95 ± 3 % при температурі +20 С.

Останнім часом з метою підвищення волого- і хімічностійкості АЕД загальнопромислового виконання використовують капсулювання обмоток двигуна різними компаундами. У новій серії двигунів АІ (інтернаціональні) характеристики і надійності ще більше підвищенні у порівнянні з двигунами 4А, АИР, 5А. Таким чином, сучасні АЕД загальнопромислового виконання належать до універсальних і їх можна використовувати в приміщеннях з широкими діапазонами зміни кліматичних параметрів.

Однак, слід відмітити, що у сільському господарстві ще використовують АЕД серії А, АО, АО2, АОЛ2. Для підвищення їх експлуатаційної надійності при капітальних і поточних ремонтах бажано виконувати модернізацію. Найпростішою модернізацією вказаних серій двигунів при їх ремонті можна вважати застосування дво- і трикратного просочення обмоток. Після практичного просочення модифікованою емаллю, як показують результати досліджень, опір ізоляції АЕД збільшується в чотири рази по відношенню до ізоляції АЕД, просочених емаллю ГОР 92 ХС.

В процесі експлуатації АЕД виникають різні аварійні ситуації [1], основні з яких:

– неповно фазний режим (обрив фаз) – 40..50 %;

– гальмування ротора (заклинювання) – 20..25 %;

– технологічні перевантаження – 8..10 %;

– зниження опору ізоляції – 10..15 %;

– порушення охолодження – 8..10 %.

Аналіз функціональних зв’язків при аварійних режимах АЕД дозволяє визначити діапазони використання конкретного виду захисту і обґрунтувати технічні вимоги до пристроїв захисту залежно від їх призначення.

Захисний пристрій повинен забезпечувати:

– безперервність виробництва;

– достатню швидкість спрацювання;

– мінімальний час повернення у вихідні положення після спрацювання;

– надійну роботу у реальних умовах сільськогосподарського виробництва;

– зручності в експлуатації.

Для попередження аварійних режимів роботи АЕД у сільському господарстві застосовують пристрої захисту теплового, температурного і струмового типів.

Теплові реле всіх типів (теплові розчеплювачі вимикачів і теплових реле магнітних пускачів) мають теплову інерцію, крім того у них спостерігається значна розбіжність захисних характеристик і їх необхідно настроювати на місці їх установки, враховуючи робочий струм АЕД і температуру навколишнього середовища. У систему вбудованого температурного захисту входять температурні датчики, розташовані у лобовій частині обмотки АЕД (по одному в кожній фазі), та вимикаючий пристрій, який підсилює сигнал датчиків і передає його у схему керування магнітного пускача.

Струмовий захист не рекомендується використовувати для АЕД, які працюють у режимах з повторно-короткочасних і різко вираженим випадково-змінним навантаженням, а також у випадку високої імовірності порушення умов охолодження.

Вказані недоліки захисної апаратури призвели до розробки простих [2,3,4] засобів захисту, які задовольняють споживача своєю вартістю, але не в повній мірі виконують функцію захисту. З іншого боку розроблені більш досконалі із застосуванням сучасної елементної бази пристрої з широкими функціональними можливостями типу РДЦ виробництва ОАО електротехнічного заводу РЕЛІС (м. Київ) але вони ще не знайшли широкого застосування серед споживачів в сільському господарстві через недостатнє вивчення їх можливостей надійної роботи при різних аварійних ситуаціях і відсутністю рекомендацій, щодо їх застосування.

Мета досліджень.

Визначити надійності спрацювання захисних пристроїв типу РДЦ в разі виникнення аварійних режимів роботи АЕД та розробка рекомендацій щодо ефективного використання в умовах сільськогосподарського виробництва.

Основні матеріали досліджень.

На основі договору про творче співробітництво з ОАО електротехнічного заводу РЕЛІС (м. Київ) в лабораторії електричних машин кафедри застосування електроенергії в сільському господарстві Харківського національного технічного університету імені Петра Василенка проведена серія експериментів по випробуванню реле захисту типу РДЦ-01-200 та РДЦ-03. Для проведення випробувань був розроблений спеціальний стенд, принципова електрична схема якого приведена на рис. 1.

На стенді встановлено індукційний регулятор IP1 за допомогою якого змінювалась напруга живлення АЕД, підвищувальний трансформатор напруги ТС 2,5/0,38, потужність якого наближена до потужності АЕД, вимірювальні прилади (вольтметри, амперметри), магнітний пускач з елементами керування, а також автоматичні вимикачі QF1-QF3.

Відповідно паспортних даних реле РДЦ-01-200 та РДЦ-03 призначені для захисту трифазних АЕД з к.з. ротором 3?127/220 В, або 3?220/380 В. від: перевантаження, асиметрії навантаження, роботи з недовантаженнями, перевищення живлячої напруги, зниження опору ізоляції перед пуском, невірного чергування фаз, а реле РДЦ-03 захищає і від перевищення температури обмоток АЕД.

Разом з тим, крім захисних функцій реле має можливість моніторингу наступних параметрів:

– робочих струмів в кожній фазі (Iа,Iв,Iс);

– напруги в кожній фазі (Uа,Uв,Uс);

– частоти струму в мережі;

– поточної температури обмотки двигуна (при приєднаному датчику температури);

– струму витікання;

– величини асиметрії струмів фаз;

– значення опору ізоляції двигуна до пуску;

– величина еквівалентної теплової енергії сумарного часу роботи АЕД (моторесурсу);

– можливість встановлення кількості автоматичних пусків після аварійного відключення;

– захист налагоджених параметрів від несанкціонованого втручання (пароль).

Дослідження проводиться на установці потужності якої була сумірна з потужністю АЕД при установці часу затримки кола напруги і струму 1,2,5,10 с. Під час зміни навантаження короткочасно знижувалась напруга на АЕД нижче уставки затримки кола напруги (187В) і струму під час пуску. Реле РДЦ-01-200 розраховано на пряме вмикання для АЕД з номінальним струмом до 20 А.

При випробуванні реле РДЦ-01-200 були отримані наступні результати:

1. При пуску розмикались вихідні контакти реле в результаті зниження напруги і засвічувались світлодіоди I,U. На індикаторі реле відображались значення пускових струмів і напруги.

2. Двигун пускався в хід. В установчому режимі напруга підвищувалась але залишалась нижче уставки (187В). Двигун продовжував працювати протягом 10 с, а потім реле спрацьовувало і АЕД відмикався від мережі при цьому засвічувався світлодіод U.

3. При переході на автоматичний режим керування відбувається пуск двигуна за другою, а інколи і за третьою спробою спрацювання реле. При випробуванні реле з уставкою затримки кола напруги і струму 10 с реле працювало в режимі вказаному в п.2.

Рисунок 1 – Принципова електрична схема

Реле РДЦ-03 розраховані на пряме вмикання в коло АЕД з номінальним струмом до 5 А, або через зовнішні вимірювальні трансформатори струму Т–0,66, з коефіцієнтом трансформації в діапазоні (10/5..1000/5) А і класом точності не гірше ніж 0,5.

Реле РДЦ-03 не має оперативної напруги живлення. Контрольована напруга є одночасно і напругою живлення. Всі елементи реле змонтовані в одному корпусі.

Функціонально реле складається з: блоку живлення; блоку вхідних сигналів для мікроконтролера, а також керування вихідних сигналів для комутації зовнішніх кіл блоку керування та панелі індикації вхідних сигналів.

Блок живлення містить імпульсний перетворювач, який забезпечує вихідні напруги +5В, +24В, +300В для внутрішнього живлення схеми.

Блок керування і індукції складається із мікроконтролера, чотирьох розрядного світлодіодного індикатора, чотирьох кнопок налагодження режиму роботи реле і дванадцяти світлодіодних індикаторів, які сигналізують про різні аварійні стани: стан основного вихідного реле (робота, заборона), струмового навантаження, перевантаження; асиметрії струму; холостого ходу; витікання; перевищення напруги; зниження напруги; невірного регулювання фаз; перевищення температурі (max +50?С); обмеження кількості повторних пусків; порушення опору ізоляції; залипання контактів контактора або пускача.

Випробування здійснювалось на тому ж стенді (рис.1), що і попереднє реле. Реле програмують, згідно меню програмування, яке рекомендовано розробником: номінальній струм АЕД – 5 А, кратність перевантаження – 2; опір ізоляції – 0,5 МОм; номінальна напруга – 220 В; мінімальна напруга – 190 В; максимальна температура – +50?С; кількість повторних пусків – 4; затримка до пуску – 2 с; час пуску – 1 с; час до повторного пуску – 5 с. Змінюючи навантаження і напруги на затискачах АЕД, добивались короткочасного зниження напруги нижче установки ланки напруги (187В) і струму під час пуску. Були отримані наступні результати:

АЕД пускався в хід і при відновленні після пуску нормальної напруги, відхилення від нормальної роботи не спостерігалось.

При зниженні напруги нижче установки (187В) починав мерехтіти світло діод U і відбувалось розмикання контактів вихідного реле і АЕД вимикався від мережі. При цьому спалахували індикатори перевантаження і обмеження пусків. На індикаторі фіксувались струм і напруги.

Зміна установки затримки кола напруги і струму (1,2,5,10), на результатами випробувань не впливала, так як випробування відбувалося на АЕД з відносно малою потужністю і порівняно малим моментом інерції.

Виявлено, що при установці струму навантаження (по фазі А) 5А, починав мерехтіти індикатор перевантаження, але АЕД продовжує нормально працювати тобто вимикання двигуна не відбувалось.

СПри зниженні навантаження до 4,6 А мерехтіння індикатора перевантаження припинялось.

Висновок.

В результаті досліджень реле РДЦ-01-200, РДЦ-03 виявлені недоліки були оформлені протоколом і передані виробнику для подальшого удосконалення. Викладений матеріал має інтерес для робітників інженерно-технічного персоналу, які займаються експлуатацією та захистом АЕД, а більш детальна інформація про ефективність роботи вказаних реле може бути отримана на кафедрі по індивідуальному замовленню.

Список використаних джерел

1. Грундуллис А. О. Защита электродвигателей в сельском хозяйстве. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Агропромиздат, 1988. – 110 с.
2. Яковлєв В. О., Балаханов О. М., Вітренко М. М. Для захисту асинхронного двигуна. // Техніка АПК. – №4-9, – 1996. – С.23.
3. Тищенко О. К. Система керування та захисту приводу водопостачальної установки. // Вісник ХДТУСГ ім. П.Василенка. "Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України".-Харків: ХДТУСГ, 2007. – Вип.57. – Т.1. – С.126-133.
4. Тищенко О. К. Енергозберігаюча система керування та захисту привода установки водопостачання. // Вісник ХДТУСГ ім. П.Василенка "Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України". – Харків: ХДТУСГ, 2008. – Вип.73. – Т.1. – С.75-78.