Методика выбора контакторов и магнитных

пускателей для управления и защиты

электрических двигателей

Правильный и рациональный выбор пускозащитных аппаратов для цепей управления приемников электрической энергии (электропечей, электромагнитных приводов выключателей высокого напряжения, электроосветительной аппаратуры, электрических двигателей и т. д.) является основополагающим при разработке схем управления и защиты. Разнообразие схем управления как по мощности, так и по степени ответственности, надежности, экономичности вынуждает иметь дело с таким же (или большим) разнообразием исполнительных элементов, правильный выбор которых во многом определяет технико-экономические показатели объекта управления в целом. Среди основных показателей, характеризующих качество исполнительных элементов, можно выделить: надежность, экономичность, достаточный срок службы, малые массу и габаритные размеры, небольшие эксплуатационные затраты, низкую стоимость, высокую технологичность и т. д. Выбор тех или иных показателей качества (как правило, противоречивых) зависит от объекта управления и требований, предъявляемых к нему.

Рассмотрим контактные исполнительные элементы управления, наиболее распространенные как по количеству, так и по номенклатуре выпускаемых изделий — контакторы и магнитные пускатели — и выделим параметры, по которым производится их выбор.

Контакторы или пускатели должны выбираться по следующим основным техническим параметрам (см.п. 1.3):

• назначению и области применения;
• роду тока, количеству и исполнению главных и вспомогательных контактов;
• номинальному напряжению и току главной цепи;
• категории применения;
• режиму работы;
• климатическому исполнению и категории размещения;
• механической и коммутационной износостойкости;
• номинальному напряжению и потребляемой мощности включающих катушек.

Контакторы и пускатели, выпускаемые отечественной промышленностью, часто разрабатываются для определенного типа объекта управления. Например, в металлургической, химической и других отраслях промышленности для включения и отключения приемников электрической энергии используются контакторы КТ6600. Для включения и отключения асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором рекомендуется применять контакторы КМ13, КТ12Р, пускатели серий ПМЕ, ПМА и ПМЛ и др. Для гашения поля синхронных машин и для цепей, где недопустимо отключение контактора при отсутствии напряжения в цепи питания обмотки управления, можно рекомендовать контакторы КТ6000/3, в силовых цепях генераторов и двигателей постоянного тока применяются контакторы КП7 и КП207, в судовых электротехнических устройствах находят применение контакторы КМ2000, для работы в силовых электрических цепях постоянного тока тепловозов широко применяются контакторы серии МК, для дистанционного включения электромагнитных приводов выключателей высокого напряжения и в устройствах АПВ используются контакторы МК2-20Б. В ряде случаев контакторы и пускатели рекомендуются для включения и отключения приемников электрической энергии без указания их типов (при этом обязательно указывается категория применения). Примером таких контакторов являются контакторы КТ6000, КТ7000, КТП6000, КТ6000/2 и др.

Для объектов управления с высокой степенью ответственности, а также для объектов, работающих в специальных условиях (во взрывоопасных средах, с повышенной температурой и влажностью, свыше 1000 метров над уровнем моря, с высоким уровнем вибрации и тряски и др.) разрабатывается специальная аппаратура управления.

По назначению пускатели выпускаются:

— нереверсивные (для управления электродвигателями при неизменном направлении вращения);

— реверсивные (для управления электродвигателями при переменных направлениях вращения).

Реверсивные пускатели делают с электрической блокировкой, либо с электрической и механической блокировками. Кроме того, пускатели выполняются с встроенными в оболочку кнопками управления либо без них. Назначение пускателя определяет наличие в нем теплового реле. Пускатели, выполняющие функции защиты двигателя от перегрузок, вызванных длительным протеканием токов выше номинальных, комплектуются тепловыми реле. Пускатель может выпускаться без теплового реле (например, с позисторной защитой) с кнопкой управления в защитной оболочке.

Тепловые реле в совокупности с линейными контакторами (магнитные пускатели) применяются для защиты двигателей, работающих в продолжительном режиме (рабочий период составляет не менее 30 мин). Применение тепловых реле для защиты двигателей, работающих в повторно-кратковременных режимах, нецелесообразно ввиду чувствительности нагревательного элемента к его тепловому состоянию, обусловленному циклическим характером токовой нагрузки, что изменит временные характеристики теплового реле. Использование тепловых реле при работе двигателя в повторно-кратковременном режиме, а также вблизи устройств, излучающих дополнительное тепло, может привести к ложным срабатываниям реле.

Важными параметрами теплового реле являются:

• номинальное напряжение реле U_ном ;
• номинальный ток реле I_ном — наибольший ток, длительное протекание которого не вызывает срабатывания реле;
• номинальный ток нагревателя U_{ном.нагрев.} — наибольший ток, при длительном протекании которого через реле с данным нагревателем оно не срабатывает. Если реле имеет сменные нагреватели, то минимальный номинальный ток реле равен наибольшему из номинальных токов нагревателей, которые могут быть установлены в данном реле; если же реле выполнено с регулятором, то значения токов I_ном и I_{ном.нагрев.} соответствуют среднему положению регулятора.
• Номинальный ток уставки реле I_{ном.уст.} — наибольший длительный ток, который при определенной настройке реле не вызывает его срабатывания.

Основной характеристикой реле является зависимость времени срабатывания реле t_ср от кратности тока I, протекающего через его нагревательный элемент по отношению к номинальному току нагревателя I_{ном.нагр}. Время возврата тепловых реле в рабочее состояние (в реле без самовозврата или без кнопки возврата) не превышает 2 — 3 мин. При наличии самовозврата и кнопки возврата оно сокращается до 30 — 60 с.

Тепловые реле, встраиваемые в магнитные пускатели, выбираются по следующим основным параметрам:

типоисполнению реле; конструктивным особенностям; номинальному току нагревательного элемента (нагревателя); току несрабатывания (уставки по току) и диапазону его изменения; времени срабатывания (при 20%-ном увеличении тока по отношению к номинальному значению); времени срабатывания при токах перегрузки (например, при пусковом токе двигателя).

По типоисполнению тепловые реле выпускаются одно-, двух- и трехполюсные. Степень защиты и климатическое исполнение реле определяются пускателями, в которые они встраиваются. Тепловые реле имеют или в них отсутствует температурная компенсация, регулятор уставки тока несрабатывания, самовозврата (дистанционного возврата или ручного), возможности сменяемости нагревательного элемента, ускоренного срабатывания реле при обрыве фазы. Конструктивные особенности реле определяются и количеством коммутирующих контактов.

Выбор типа теплового реле, встроенного в магнитный пускатель, производится из условия равенства номинального тока нагревателя и двигателя [9]:

I_{ном.нагрев} = I_ном.дв . (9)

Пускатели серий ПМА и ПМЕ имеют встроенные тепловые реле типа РТТ, а пускатели серии ПМЛ — реле типа РТЛ. Реле РТТ и РТЛ выполнены с температурным компенсатором, что позволяет значительно уменьшить влияние температуры окружающей среды на временные характеристики реле, и регулятором тока уставки (тока несрабатывания реле).

Зная пределы регулирования тока несрабатывания, которые изменяются для теплового реле РТТ в пределах 0,85---1,15, а для РТЛ --- в пределах 0,75­1,25 номинального тока нагревателя, определяют диапазон изменения номинального тока нагревателя

I_{несраб.max} ≥ I_{ном.нагрев} ≥ I_{несраб.min} , (10)

где I_{несраб.min} = (0,75 или 0,85)I_{ном.нагрев}; I_{несраб.max} = (1,15 или 1,25) I_{ном.нагрев}.

Если температурная компенсация в реле отсутствует, то необходимо учесть влияние температуры окружающей среды на выбор тока I_{ном.нагрев}, значение которого уменьшится:

, (11)

где δ — коэффициент изменения номинального тока нагревателя на каждые 10 °C разности (v_окр-v_{ном.окр} ),%. Коэффициент берется из паспорта реле;

v_{ном.окр} — номинальная температура окружающей среды, °C.

Принимается v_{ном.окр} = 35° C.

Из (11) с учетом (9) определяется номинальный ток нагревателя, по которому и выбираются нагреватель, тип и исполнение теплового реле:

. (12)

Если реле находится вне кожуха пускателя, то принимается на 15 - 20% больше расчетного.

При включении нагревательного элемента во вторичную обмотку трансформатора тока в (12) вместо необходимо подставить отношение

, (13)

где K_тт ? коэффициент трансформации трансформатора тока.

Для защиты тепловых реле от токов короткого замыкания используются максимальные токовые реле, предохранители или автоматические выключатели [4]. Время срабатывания выбранного теплового реле при 20%-ном увеличении тока в обмотке двигателя, т. е. при I_ср=1,2I_{ном.нагрев.} ,не должно превышать 20 мин. Для определения t_ср пользуются защитной характеристикой реле .

При пуске двигателя время срабатывания t_ср теплового реле должно быть больше времени пуска t_п ненагруженного двигателя, т. е.

(14)

Если это условие не выполняется, то необходимо изменить I_{ном.нагрев} в пределах регулирования тока несрабатывания или заменить тепловой нагревательный элемент.

После выбора теплового реле для магнитного пускателя строятся защитная характеристика реле и нагрузочная характеристика двигателя и проверяется правильность их согласования.

Пример 1. Выбор контактора (магнитного пускателя) для управления и защиты асинхронного двигателя серии 4А

Для управления и защиты от продолжительных токов перегрузки асинхронного двигателя часто используются контакторы в сочетании с тепловыми реле или магнитные пускатели, в которых контактор и реле вместе с кнопками управления помещены в защитный кожух и являются автономными аппаратами.

Пусть необходимо выбрать контактор (магнитный пускатель) для управления и защиты асинхронного двигателя 4АР132S4, работающего в продолжительном режиме.

По типу двигателя (из справочников) определим его параметры:

— номинальная мощность двигателя P_ном 7,5 кВт

— коэффициент полезного действия h_ном 87,5%

— коэффициент мощности cos? φ 0,86

— номинальное линейное напряжение на обмотке статора U_ном.л. 380 В

— коэффициент кратности пускового тока k _I 6,5

— время пуска двигателя t _п 5 с

Основными техническими параметрами, по которым производится выбор, являются:

— назначение и область применения.

Из известных основных типов контакторов и магнитных пускателей в данном случае могут применяться: контакторы МК1,2; КМ 2000; КТ 6600; КМ13; КТ12Р; МК3 с тепловыми реле серии РТТ, РТЛ, РТН или магнитные пускатели серий ПМЕ, ПМА, ПМЛ;

— род тока, количество и исполнение главных и вспомогательных контактов.

Род тока — переменный, частота — 50 Гц; согласно схеме включения двигателя (рис. 4, а) аппарат должен иметь не менее трех замыкающихся силовых контактов и одного замыкающегося вспомогательного контакта;

— номинальное напряжение и ток силовой цепи.

Номинальное напряжение — 380 В; номинальный ток не должен быть ниже номинального тока двигателя;

— категория применения.

Аппарат должен работать в одной из категорий применения: АС-3 или АС-4;

— режим работы аппарата.

Продолжительный с частыми прямыми пусками двигателя;

— климатическое исполнение и категория размещения. Аппарат предназначен для эксплуатации в среде с умеренным климатом (У) в категории размещения -3.

В качестве технико-экономических показателей (показателей качества) выбираем — коммутационную износостойкость (этот показатель основной и его "вес" — 0,7) и массу аппарата (его "вес" — 0,3).

Последовательность выбора аппаратов

1. Предварительный расчет.

Прежде чем провести выбор аппарата по основным техническим параметрам, необходимо рассчитать номинальный и пусковой токи двигателя [7,8]:

Пусковой ток двигателя (его действующее значение) (см. рис. 3, б);

Ударный пусковой ток (амплитудное значение);

Принимаем

2. Выбор аппаратов по основным техническим параметрам.

В начале выбираем магнитный пускатель со встроенным тепловым реле по основным техническим параметрам для заданного схемного решения (рис. 4, а).

Рис. 4. а – схема прямого пуска и защиты асинхронного двигателя

с короткозамкнутым ротором; б – пусковая характеристика двигателя (1)

и защитная характеристика теплового реле (2)

В табл. 4 приведены результаты выбора магнитных пускателей и некоторые их технические параметры.

Проверим возможность работы выбранных аппаратов в категориях применения АС-3 и АС-4.

В категории применения АС-3 магнитный пускатель должен включать в нормальном режиме коммутации ток (см. п. 1.3)

а в режиме редких коммутаций

Оба условия выбранными пускателями выполняются, так как

В категории применения АС-4 магнитный пускатель должен отключать в нормальном режиме коммутации ток (см.п.1.3)

который меньше пускового тока двигателя. В режиме редких коммутаций ток

также ниже возникающего в цепи ударного пускового тока двигателя.

Поэтому выбранные магнитные пускатели, предназначенные для работы в категории применения АС-4, в данных условиях не пригодны.

Тепловые реле серии РТЛ, встроенные в магнитные пускатели имеют регулируемое время срабатывания t_ср = 4,5 -9c, что приемлемо в заданных условиях пуска двигателя .

На рис.4, а приведены пусковая характеристика двигателя и защитная характеристика теплового реле.

Для реализации схемы пуска двигателя можно использовать контактор и дополнительное тепловое реле.

Основные технические параметры контакторов, выбранных на те же исходные данные, приведены в табл.5.

Проверка контакторов на работоспособность в категориях применения АС-3 и АС-4 показала, что контакторы МК2-30 могут работать в категории применения АС-4, контакторы КМ 2311— в категории применения АС-3.

В данном случае для защиты двигателя от перегрузки пригодны тепловые реле серии ТРН, технические параметры которых приведены в табл. 6.

Время срабатывания реле регулируется в диапазоне 3 - 25 с, что вполне приемлемо.

3. Выбор аппаратов по технико-экономическим критериям

В качестве технико-экономических критериев используем коммутационную износостойкость (с "весом" параметра — 0,7) и массу аппарата (с "весом" — 0,3).

С учетом этих критериев проведен оптимизационный расчет. Лучшими (оптимальными) аппаратами являются: магнитный пускатель ПМЛ 221002, контактор МК2-30У3А и тепловое реле ТРН-25.

Выбор электрических аппаратов по основным техническим параметрам и технико-экономическим показателям проводился на ПЭВМ с использованием баз данных отечественных аппаратов управления и защиты и системы управления базой данных «Выбор 2.2», разработанной в МЭИ [8].