JIŠTĚNÍ U ELEKTRICKÝCH POHONŮ
Obsah: 1. Filosofie jištění u elektrických pohonů (EP) 2. Selektivita při jištění 3. Zkraty 3.1 Zkraty v obvodech s neregulovanými pohony 3.2 Zkraty v obvodech s regulovanými pohony 4. Přístroje pro jištění EP 5. Jištění u pohonů se střídavými motory nn 6. Jištění u pohonů se střídavými motory vn 7. Jištění u pohonů s asynchronními motory napájenými z měničů 8. Jištění u pohonů se stejnosměrnými motory
Ostrava, VŠB – TU
Doc. Ing. Václav Vrána, CSc.
1. Filosofie jištění u elektrických pohonů Účelem jištění (v širším slova smyslu) je zabránit škodám nebo ohrožení lidí, zařízení, výroby a to: - preventivně zabránit vzniku nenormálních stavů nebo možností vzniků poruch z těchto stavů - omezit následky poruch na nejmenší možnou míru. Nenormální stavy a poruchy v systému pohonu ( od sítě až po PM). U napájecí sítě: poklesy napětí - krátkodobé hluboké vznikající např. při vypínání blízkých zkratů (řádu stovek ms) U pohonu: poruchy kteréhokoliv prvku ve výkonových, řídících, regulačních, ovládacích obvodech, U poháněného prac. stroje : přetížení U el. rozvodu: zemní spojení, zkraty, přerušení obvodu. Prostředky a způsoby jištění jsou závislé na druhu pohonu (dle řízení): U pohonů s řízením logického typu se většinou jedná o klasické jistící přístroje. U pohonů s řízením regulačního typu se pak jedná o kombinaci jistících přístrojů a ochranných funkcí integrovaných v akčních členech (např. v měničích). Naproti tomu při poruše v řídících a regulačních obvodech těchto členů může dojít k další následné poruše pohonu. Podle časové následnosti reakce rozdělujeme jištěné jevy do dvou skupin: 1. skupina obsahuje poruchy vyžadující okamžitý, přímý a na napětí sítě nezávislý zásah ochrany. Jedná se zde především o zkraty, u ss pohonů pak o jevy jako např. ztráta buzení, nadotáčky a pod., u transformátorů např. vývin plynů v chlad. oleji, aktivace havarijního mezního spínače a pod. 2. skupina obsahuje poruchy a nebezpečné stavy dovolující zpožděný zásah. Jedná se zde např. o přetížení, stoupnutí teploty, zemní spojení, zmenšení izolačních odporů a pod.. Většinou zde dochází k vyhodnocení stavu, jeho signalizaci a k následnému řízenému (opožděnému) vypnutí stroje popř. celého technologického zařízení. Obvody, které je nutno jistit pouze proti zkratu např. pojistkou, jističem se zkratovou spouští a pod., (nejistí se proti přetížení ): - budící obvody strojů, - napájecí obvody magnetů zvedacích zařízení, - obvody pro napájení součásti hasicích přístrojů, - obvody brzd všeho druhu, - ovládací obvody (cívky relé a stykačů, signální svítidla a pod.), - elektronické obvody (telekomunikační, regulační, řídící). Proti přetížení se nemusí jistit motory některých poháněcích zařízení, jejichž konstrukce a provedení neumožní jejich nedovolené přetěžování. Obvody, které se nesmí jistit vůbec: - výstupní obvody měř. transformátorů proudů,
- zpětnovazební obvody čidel (např. proudu, rychlosti, polohy) Zásada pro jištění: Pokud možno sdružovat jištění více prvků (sériově zapojených komponentů např. spínač, kabel, motor) do společné ochrany (např. pojistky, jističe). Toto je nutno zohledňovat při dimenzování přívodních vedení a kabelů k motorům.
2. Selektivita při jištění U pohonů se vyskytuje pojem selektivita ve dvou rovinách: Selektivita mezi přístroji téhož obvodu (pohonu) - má iniciovat ten ochranný prvek, který je nejblíže k poruše a zajistit tedy požadovanou posloupnost působení tak, aby došlo k minimalizaci ztrát.. Lze ji dosáhnout vhodnou volbou jistícího přístroje, (jeho parametry, charakteristikou a nastavením). Selektivita při nadproudech - koordinace pracovních charakteristik dvou nebo více nadproudových jistících zařízení zajišťující zapůsobení určeného zařízení pro působení v daných mezích. Rozlišuje se selektivita sériová a síťová. Metoda ručního rýsování jednotlivých vypínacích charakteristik při návrhu jistícího systému zohledňující selektivitu (vypínací charakteristiky se nesmí dotýkat) je velmi pracná , zdlouhavá a nepřesná. Některé firmy (např. Terrasaki) mají k dispozici software umožňující studii selektivity navrženého systému jištění s určením sjednocení jednotlivých vypínacích charakteristik do jedné charakteristiky. Selektivita mezi různými pohony - je podřízena technologickým požadavkům.
3. Zkraty , Def.: Zkraty považujeme za nevítaný jev v elektrických obvodech. Jejich výskyt lze jen částečně omezit, nikoliv vyloučit. Na velikost, průběh a trvání zkratového proudu mají vliv : - druh a mohutnost zdroje energie (generátor, trafo, motor) - impedance zkratované smyčky (obvodu), - okamžitá hodnota proudu obvodu v němž dojde ke zkratu, - druh připojené zátěže. Podrobný a přesný výpočet zkratových poměrů je velmi složitý, proto se provádí výpočet zběžný, popř, se spokojíme s odborným ( kvalifikovaným ) odhadem. Nebezpečí škod v důsledku zkratu je závislé na velikostí zkratového proudu, doby jeho trvání a zkratové odolnosti zařízení a vypínací schopnosti spínacích a jistících prvků. Vypínací schopnosti jistících prvků. Je uváděna výrobcem přístroje v jeho průvodní dokumentaci a udává hodnotu předpokládaného vypínacího proudu při stanoveném napětí a za předpokládaných podmínek. Musí být větší než nárazový zkrat. proud Ikm s výjimkou využití omezovací schopností předřazených pojistek k přístroji. Závislost doby vypnutí na velikostí proudu je tzv. vypínací charakteristika (pozn.: stupnice nebývá obvykle s lineárním dělením). Zkratová odolnost zařízení. Zařízení, která mají bez poškození přečkat zkrat musí čelit : - dynamickým účinkům (silám), - tepelným účinkům (oteplení). Rozhodujícími jsou hodnoty: - dynamického proudu Idyn - jmenovitého krátkodobého proudu It (vteřinový proud). Zkratová odolnost jednotlivých el. zařízení: Kabely a vodiče: - u společných 3-fázových vodičů a kabelů se dynamické namáhání neuvažuje, u jednožilových (jednovodičových) nutno uvažovat podpěry dle ČSN 38 1754. Pojistky - Ivyp > Ikm, (např. u záv. poj. E27 je Ivyp=100/50 kA pro IN=2÷16/20÷25 A Jističe - Idyn > Iko", It > Ike, Ivyp > Ikm Stykače a relé: - malá zkrat. odolnost - nutnost předřadit pojistky s využitím jejich omezovací schopností 3.1 Zkraty v obvodech s neregulovanými pohony (bez statického měniče - energii dodává i motor): Asynchronní motor (AM): Ikmax = (1,53 - 1,65) .Izáb , magnetické pole rychle zaniká, tepelné účinky na motor jsou zanedbatelné.
Stejnosměrný motor s cizím buzením (s CB) Vlastní průběh zkratového proudu bude závislý na velikosti kinetické energie pohonu (≈ Jc) a stavu buzení motoru (≈ φ), (např. při automatickém rychlém odbuzování). Pro případ nekonečné kinetické energie (Wk∞) je zdrojem konstantní indukované napětí Uiωa ustálená velikost zkrat. proudu Iakm a jeho ideální časový průběh iak jsou závislé L a R (časové konstantě τa ) dle vztahu:
na parametrech obvodu iak = I
akm
⎛ ⎜ .⎜ 1 − e ⎜ ⎝
−
t
τa
⎞ ⎟ ⎟⎟ ⎠
,
kde
I akm =
U iω R ac
Skutečný průběh zkratového proudu iak bude příznivější a bude se lišit od exponenciálního v důsledku protikompaudančního účinku při zkratu (důsledek posunutí magnetické osy motoru ve směru otáčení). Při zanedbání pasivních odporů dochází k přeměně celé kinetické energie pohonu v teplo dle vztahu
∫
[ ]
Wk = 0 ,5. J c .ω 2 = R . i 2 dt = R . I 2 t
Při rychlém odbuzení motoru (např. odpojením napětí), které předpokládá paralelní "vybíjecí" odpor, dochází k poklesu budícího proudu a tím i magnetického toku, což se projeví stejně jako při zmenšení kinetické energie t.j. ve snížení indukovaného napětí Uiω a tím i tepelných účinků zkratu (nikoliv dynamických - viz. obr. 3.1)
obr. 3-1 Časové průběhy zkrat. proudu ss motoru s CB Ochrana rychlým odbuzením je doporučována v případech provozu pohonu s velkým momentem setrvačnosti (Jc >> Jm) pracujícím při velkých otáčkách n > no (v odbuzeném stavu).
3.2 Zkraty v obvodech s regulovanými pohony (se statickými měniči) V následujícím bude rozebrána problematika u ss reverzačního pohonu, který je realizován ss motorem s cizím buzením napájeným z řízeného reverzačního měniče v antiparalelním zapojení (bez okruhových proudů). Podle druhu pracovního režimu měniče rozlišujeme - invertorový zkrat (měnič pracuje jako střídač) - usměrňovačový zkrat Zkraty invertorové Možné příčiny vzniku : - ztráta zapalovacích (řídících) impulzů - ztráta střídavého napětí na vstupní straně měniče V obou případech dojde k selhání síťové komutace mající za následek nedovolený a nebezpečný nárůst proudu vyžadující okamžité přerušení jistícím prvkem. Pro případ ztráty řídícího impulzu platí vztahy : LΣ .
di + R Σ .i = U i ω + dt
2 ..U s .sin (ω t − ψ
)
Pro zjednodušené počáteční podmínky tj. při i IN V =
kde
t U iω − (1 − e τ ) + RΣ
2 .U
s
R Σ2 + X
ϕ = arctgωτ = arctg
2
Σ
t = 0; ⇒ i(0) = 0; U iω = 2.U s .sin ψ
⎡ −t ⎤ ⎢ e τ . sin ( ψ + ϕ ) + sin ( ω t − ψ − ϕ ) ⎥ ⎢⎣ ⎥⎦
XΣ RΣ
Zkratový proud sestává ze složky dodávané motorem (za předpokladu, že WK IN = ∞, a plného buzení) a ze síťové složky. V případě ztráty stříd. napětí sítě je Us = 0 zkrat. proud bude sestávat pouze ze složky dodávané motorem. Zkraty usměrňovačové Za předpokladu vzniku vně měniče (např. na motoru) dojde k nárůstu proudu, jeho vyhodnocení a odejmutí zapalovacích impulzů, čímž se znemožní následná komutace a dojde k samovolnému zániku proudu (při průchodu nulou). Do místa zkratu poteče složka proudu dodávaná motorem iak a složka dvoufázového zkrat. proudu iUSM dodávaného síti (přes napájecí vinutí transformátoru. a dvojicí ventilů vedoucích proud.). iU S M =
2 .U
s
R Σ2 + X
2
Σ
t ⎡ − . ⎢ sin ω t + ψ − ϕ + e τ . sin ϕ − ψ ⎢⎣
(
)
(
⎤
)⎥ ⎥⎦
Nejpříznivější bude stav při úhlu řízení α = 0, kdy tato složka zkratového proudu dosáhne maximální hodnoty
( )
I m2a x =
2 .U X Σ
s
Obr. 3-2 časové průběhy zkratových proudů ss motoru napájeného ze statického usměrňovače Křivky 1 až 3 Invertorové zkraty při normálním napětí Křivky 4 až 7 Usměrňovačové zkraty (ψ = 60 o)
4. Přístroje pro jištění obvodů s elektrickými pohony Pojistky - přístroje, které přetavením určených součástí (tavných vložek) přeruší obvod ve kterém jsou zapojeny, pokud proud pojistkou přesáhne po určitou dobu stanovené hodnoty. Při průchodu zkratového proudu ik je teplo vznikající v tavné vložce pojistky: tt
∫
Q = R p . i k2 . d t , kde Rp .....odpor pojistkové vložky, tt .....doba tavení vložky 0
Pojistka propustí do obvodu energii úměrnou propustnému (Joulovu) integrálu. tk
tt
tk
0
0
tt
[ I 2 t ] prop = ∫ ik2 .dt = ∫ ik2 .dt + ∫ ik2 .dt =[ I 2 t ]t + [ I 2 t ]obl tk
[
I
2
t
]
[I t ]
t
2
[I t ]
obl
- vypínací doba pojistky - tavný integrál - závislý na vlastnostech pojistky - zhášecí integrál - závislý na parametrech a vlastnostech jištěného obvodu 3
2
obl
[ ]
⎞ ⎛ U 2 = k 1 .⎜ ⎟ . I t ⎝ U N .k 2 ⎠
k1 = 2 ÷ 12;
t
k2 = 0,95 ÷1,11
Pojistka tedy vypíná zkratový proud během jeho nárůstu a tím vlastně dochází k omezení zkratového proudu obvodem na hodnotu jeho tavného proudu. Z hlediska omezení je nejnepříznivější zkrat s velkou počáteční strmostí proudu. Schopnost pojistky omezení zkratového proudu se vyjadřuje pomocí tzv. omezovacích charakteristik pojistky. Proud omezený pojistkou lze přibližně, ale bezpečně určit z tavného integrálu, nahrazením skutečného průběhu přímkou. stříd. zkrat : i =
Náhradní přímka: Tavný integrál
[
I
2
t
]
t
Omezovací proud Iom:
:
ss zkrat :
2 . I ks .ω . t
i =
2 . I k2s . ω 2 . t t3 3 2 .3
1
τ
. I a k .t
1 3
[
3 .ω . I ks I 2 . t 2
]
3 t
2
⎛ I ⎞ . ⎜ a k ⎟ . t t3 ⎝ τ ⎠ 3
I ak
τ
[I . t ] 2
t
Vlastnosti pojistek jsou udávány tavnými charakteristikami, které je možné v rozsahu proudů 1,3 ÷ 8 (20) - ti násobku IN ztotožnit s vypínacími charakteristikami, protože tobl << tt, tv = tt. Charakteristiky vlastně vyjadřují střed tolerančního pásma (rozptylového).
obr. 4-1 a. Přerušení střídavého proudu pojistkou při zkratu b. Omezovací charakteristiky velmi rychlých pojistek
1. Velmi rychlá pojistka gR (pro polovodiče) 2. Rychlá gF 3. Pomalorychlá gTF (čárkovaně) 4. 4. Pomalá gF 5. Zkratová aM
obr. 4.2 pojistek
Vypínací charakteristiky výkonových
Vždy musí platit: U střídavé pojistky musí být vždy její vypínací schopnost větší než rázový zkratový proud. Ivyp > Ikm U ss pojistky musí platit
I
vyp
τ
≥
I
τ
ak
ε
(podíl vypínací schopnosti pojistky a časové konstanty musí být větší než podíl zkrat. proudu a časové konstanty obvodu). Jističe - mechanické spínací přístroje se schopností spínání, přenášení a vypínání proudu obvodu za normálních i abnormálních podmínek (při zkratu). Stabilní poloha jističe je ve vypnuté poloze. Do zapnuté polohy jsou jističe uváděny vnější silou (mechanicky pomocí ovládacího elementu popř. zapínací cívkou) a jsou v ní drženy pomocí volnoběžky. Síla na vypnutí je vyvozena od pružiny. Popud k vypnutí (k
vybavení volnoběžky) je mechanicky a to buď ručně nebo od spouští popř. cívky (přes kontakt relé). Funkce jističe spočívá v jištění výkonového obvodu a zařízení zapojených za jističem před poškozením při poruše. Většina jističů je vybavena standardní nadproudovou a zkratovou spouští s možností přídavného doplnění (např.spouští podpěťovou, cívkami, pomocné kontakty a pod.). K jištění a k ručnímu spínání střídavých motorů se používají trojpólové jističe označované jako motorové spouštěče (spouštěče motorů), které mají většinou následující vybavení: - nastavitelnou nadproudovou spoušť a - zkratovou spoušť, - mechanické elementy k ovládání ZAP-VYP, - možnost doplnění přídavnými moduly (např. pom. kontakty,spouště,omezovač apod). Vypínací schopnost těchto přístrojů je rozdílná podle výrobce, typové velikosti a pracovního napětí. Poznámka: Dle ČSN IEC 50(441) je termín spouštěč motoru popsán následovně: kombinace všech způsobů spínání nutných ke spuštění a zastavení motorů včetně vhodné ochrany proti přetížení. (Spouštěče mohou být označovány podle pohonu, který se používá pro sepnutí hlavních kontaktů). Při použití jističů k jištění obvodu s motory spínanými stykači zavádí norma IEC 947 pojem koordinace stykače a jističe a definuje podmínky pro jejich společné použití. B - vedení (3÷5 IN) C - vedení (5÷10 IN) D - motorová (10÷20 IN)
obr. 4-3 Vypínací charakteristika jističe (Lovato) V poslední době jsou k dispozici i na našem trhu komplexní spínače - ochrany (označ. např. spínače integrály ) umožňující úplné ovládání motorů. V jednom přístroji jsou s poměrně vysokou vypínací schopnosti (cca 40 kA) obsaženy všechny komponenty zajišťující funkce : - odpojení -(odpínač, hlavní kontakty) - jištění proti zkratu a přetížení - ( jistící moduly se spouštěmi),
- automatické sepnutí s možností dálkového ovládání (stykač, reverzační stykače). Některá provedení těchto komplexních přístrojů (např. spínač Integrál firmy Telemecanique) mají omezovací schopnosti zkratového proudu (obdobně jako velmi rychlé pojistky). Jistící relé a spouště Spoušť - část jističe nebo výkonového vypínače působící mechanicky na vybavovací ústrojí
jeho
Jistící relé (nebo soupravy) - jsou samostatné přístroje s kontaktními výstupy, které elektricky ovládají vybavovací ústrojí výkonových spínačů (jističů, stykačů a pod.). Některá provedení mohou být doplňkovým modulovým prvkem spínačů. Tepelná nadproudová relé a spouště Nejčastěji v provedení s bimetálovým článkem, který je napájen buď přímo proudem jištěného obvodu, nebo přes přístrojový transformátor proudu. Vzniklé ztráty Pv = R.I2 oteplují článek a při dosažení vybavovací teploty odpovídající 1,05÷1,2 násobku IN dochází k aktivaci vybavovacího ústrojí.
A – pro přímé připojení popudoých článků B připojení přes transformátor, C- charakteristika měřícího trafa D – charakteristika příslušné zkratové spouště
obr.4-4 Vypínací charakteristika tepelného relé – spouště Vypínací charakteristiky t = f (I/Inast) se udávají pro teplotu okolí 20 ± 5o C, mají značný rozptyl vůči výchozímu studenému) stavu a dají se měnit : a) Změnou nastavení proudu Inast v omezeném rozsahu udaném výrobcem dráhou).
(vypínací
b) Zapojením přes sycené transformátory proudu (s malým nadproud. čídlem), což je výhodné v případech pohonů s těžkým rozběhem (nevhodné pro motory s velkou četností spínání). c) Paralelními odpory Do jednofázových popř. do stejnosměrných obvodů je nutno vždy zapojovat všechny články trojpólových provedení přístroje.
Nastavení: Při přerušovaném chodu se značnou hustotou spínání (reverzací) lze nastavit vypínací proud na hodnotu Inast = (1 - 1,3). IN. V ostatních případech se nastavuje Inast = IN. Podmínky správného nastavení: 1. Rozběhová charakteristika motoru I = f (t) Ivyp = f (tvyp)
nesmí protnout
charakteristiku relé
2. Doba rozběhu motoru musí být kratší než vypínací čas pro I = Izáb Nevýhody : - menší zkratová odolnost u normálního provedení - malá oteplovací časová konstanta - nejistí proti poruše ventilace motoru (chlazení) a zvýšené teplotě jeho okolí Ostatní jistící proudová relé a spouště : - zkratová mžiková (elektromagnetický princip), všeobecné užití, - nezávisle zpožděná (většinou pro sítě vn, pro motory vyjímečně), - nadproudová závislá nebo polozávislá (pro pohony s proudovými špičkami), - podproudová (např. v obvodech buzení strojů), - rozdílová (proti závitovým zkratům u velkých elektrických strojů), - speciální (např. odlehčovací apod.) - elektronické komplexní ochrany obsahující různé funkce (např. nadproud výpadek fáze, asymetrie napětí, simulace tepelného stavu v motoru, zemní spojení, zablokování rotoru atd.). Jejich provedení je většinou modulární umožňující libovolné doplnění přídavnými moduly. Ostatní jistící relé a spouště reagující na jiné elektrické veličiny : - nadpěťová (přepěťová) a podpěťová relé a spouště, - zemní relé (hlídač izolačního stavu) - termistorová relé (jistící souprava). Sestává z čidla a vyhodnocovacího obvodu s kontaktním, analogovým popř. s digitálním výstupem. Pracují na principu náhlé změny (o dva řády) elektrického odporu při určité mezní (vypínací) teplotě a jejich použití je vhodné pro jakýkoliv druh provozu s maximální četností spínání 20 x/hod.. - termostaty (kontaktní čidla ) Rychlovypínače (RV): Charakteristika - účel použití: Stejnosměrné rychlovypínače - RV jsou jednopólové kontaktní výkonové vypínače určené pro stejnosměrný proud všude tam, kde se vyžaduje velmi rychlé a spolehlivé vypnutí. Jejich praktické použití je např. v těchto oblastech: - jističe u motorů, - vypínače nadproudů a zpětných proudů u generátorů, - jistící prvky u měničů a usměrňovačů, - úsekové vypínače a přepojovače napáječů drah,
- hlavní vypínače na elektrických lokomotivách. Popis funkce (RV): U tohoto druhu spínače je vytvářen elektrický oblouk, který je následně deionizován a zhášen ve speciálních zhášecích komorách. Vhodným konstrukčním uspořádáním je po rozpojení kontaktů dosaženo rychlého nárůstu napětí na oblouku při následném omezení a přerušení proudu.
obr. 4.5. Vypnutí ss zkratu rychlovypínačem Konstrukční provedení RV. MEZ Postřelmov vyrábí RV řady N1.., které jsou stavebnicové koncepce pro rozsah proudů od 630 A do 3150 A a jmenovité napětí do 3000 V. Pohon kontaktů je proveden pomocí pákového mechanismu ovládaného pružinovým střádačem. V zapnuté poloze je pákový mechanismus zajištěn západkovým systémem, který lze uvolnit následujícím způsobem: - elektromagnetickou spouští s možností přepínání jejího nastavení, - vypínací spouští (vypínacím magnetem k dálkovým ovládání ), - spouští podpěťovou, - ručně (např. tlačítkem na rámu), - elektronickou spouští - (proudovým impulzem do elektrodynamického impulzního transformátoru. Při vypínání dochází k ofuku kontaktu stlačeným vzduchem a tím k bezpečnému přerušení malých proudů. Funkce elektromagnetické nadproudové spouště je časově nezávislá na strmosti nárůstu proudu. Rychlé vypnutí lze zabezpečit přídavným spoušťovým elektronickým obvodem. Vypínací a omezující charakteristiky RV :
Z charakteristik je patrný vliv indukčnosti na zkrat proudu di/dt a tím i na velikost propustného integrálu a na velikost omezeného proudu obvodem. Tato skutečnost si většinou vymiňuje použití přídavné indukčnosti v kotevním obvodu ss pohonu. Podmínka selektivity RV : tc
∫i
2
[ ]
.d t ≤ n red .a 2 . I 2 t
− t0
t
nred = 0,15 + 0,85 .n ..... redukovaný počet n - paralelních tyristorů a ...... počet nesoučasně komutujících skupin měniče, na které se rozděluje proud. ( např. pro q = 2, 3, 6
[I t ] 2
t
je a = 1)
... tavný integrál velmi rychlé pojistky
Poznámka: I nejrychlejší RV zaručuje selektivitu jen v obvodu s přídavnou indukčností, (s vyhlazovací tlumivkou), která omezí di/dt a tím se sníží propustný integrál a maximální hodnota omezeného proudu Iom.
obr. 4.6 Charakteristiky RV : a: di/dt = f(t)
b: omezovací Iom=f(I)
5. Jištění u pohonů se střídavými motory na nízké napětí (nn) Jištění u neregulovaných pohonů s AM (s řízením logického typu) Při tomto druhu řízení je nutno zabezpečit následující funkce vyžadované normami a zvyklostmi: • Odpojení (možnost odpojení pro opravy, údržbu a zásahy - odpojovače, hlavní kontakty jističe, odpínací pojistky) • Jištění proti zkratu a přetížení (zjištění poruchy s následným odpojením - pojistky, jističe, tepelné nadproudové relé) • Sepnutí (ovládání ruční i dálkové - jističe, stykače) • Kontrolní a ochranné funkce (u vybraných pohonů). Způsob provedení uvedených funkcí je závislý na použitých přístrojích a podmínkách (zkratových) v místě připojení motoru. Volba koncepce a návrh systému ochrany je závislý na: - druhu, velikosti motoru a požadovaném způsobu ovládání - druhu a typu rozběhu, - pracovním režimu (druhu zatížení, počtu sepnutí apod.), - parametrech napájecí sítě v místě připojení, - pracovním prostředí. Pro četné aplikace jsou požadovány další přídavné ochranné funkce jako např. hlídání přehřátí motoru (termistorové relé), poruchy izolace (např. proudovým chráničem). K zabezpečení výše uvedených funkcí je často nutnost spojení více přístrojů. Vlastní způsob provedení (kombinace přístrojů) a volba jednotlivých přístrojů je pak často kompromisem mezi požadovanými funkcemi, bezpečností provozu , normami a místních zvyklostí uživatelů (provozovatelů) zařízení. Vlastní výběr typových velikostí jednotlivých přístrojů je nutno provádět pro konkrétní parametry a požadavky pohonu v souladu s pokyny jejich výrobců (dodavatelů). V současné době je na našem trhu řada výrobců a dodavatelů spínacích a jistících přístrojů určených ke spínání a jištění motorů. Tito uvádějí ve svých technických podkladech popisy jednotlivých koncepcí řešení s návody k jejich výběru a dimenzování zohledňující technické parametry přístrojů, výkonové řady a zvyklosti. Často je v těchto podkladech používaná nejednotná odborná terminologie (motorový startér, motorový spínač a pod.), která je mnohdy v rozporu s normou. Při výběru dodavatele je vhodné vzít v úvahu rovněž otázky související s dostupností náhradních dílů, záručního a pozáručního servisu , ověřené údaje o provozní spolehlivosti a pod. Správně navržená koncepce musí zohledňovat všechny provozní stavy motoru (rozběhy, brzdění, zatížení, četnost spouštění) včetně požadavků na ovládání a signalizaci.. Možné koncepce řešení:
Obr. 5-1 Kombinace pojistky (popř. v odpínatelném provedení), stykače, nadproudového relé
Obr. 5-2 Kombinace odpínač-jistič, stykač, nadproudové relé
Obr 5-3 Kombinace motorový spouštěč, stykač
Obr. 5-4 Kombinace - spínač integrál
Obr. 5-5 Jištění AM ve zvláštních případech (Y-D, přepínání pólů )
Obr. 5-6 Jištění AM pomocí elektronických motorových ochran (EMO)
Jištění trojfázových AM proti chodu na dvě fáze. Při výpadku jedné fáze (např. přerušením pojistky) za chodu motoru zatíženého přibližně konstantním momentem zátěže dojde ke zvýšení proudu motoru na hodnotu I(2) = q. I(3) ,
kde q = 1,8 až 2,4
K zapůsobení tepelného nadproud. relé dojde při splnění následující podmínky kdy I(2)mot > 1,25. I(3)N
MPM/MN > 1,25 / q ,
Při nesplnění této podmínky může dojít v důsledku zhuštění inverzní složky proudu a tím k zvětšení ztrát a k nadměrnému oteplení motoru (rotoru). Experimentální výsledky prokázaly následující skutečnosti : Při I(2) = I(3) dochází k nadměrnému oteplení u motorů: - s jmenovitým výkonem PN v rozmezí 15 ÷ 400 kW (motory tzv. dvouklecové a s vírovou kotvou) - s jmenovitým výkonem PN > 400 kW (u kroužkových motorů) Zvláštní jištění motorů proti chodu na dvě fáze je tedy okrajovou záležitostí, protože při přerušovaném zatížení nedojde k opětnému rozběhu, tepelné přetěžování je závislé na druhu a velikosti motoru včetně velikosti momentu zátěže. Použití zabudovaných čidel do motoru (termistorů) je nejspolehlivější ochranou motoru proti přetěžování zahrnující i tento jev. Jištění motoru proti zablokování jeho rotoru K tomuto jevu může dojít např. mechanicky, nebo při přerušení jedné přívodní fáze. V důsledku průchodu proudu Izáb dochází ve vinutí motoru k rychlému (přímkovému) nárůstu teploty se strmostí dυ/dt = (5÷12 Ks-1) dϑ ρ = .σ dt co
2 N
⎛ I ⎞ ⎟ .⎜ ⎝ IN ⎠
2
ρ - rezistance (Ω m mm-2) co - měrné teplo (J m-3 K-1)
σ N - proud. hustota při IN Motor je chráněn tehdy, je-li vypínací doba relé při proudu Izáb tv ≤
kde
Δϑ
∞
− Δϑ dϑ dt
Δϑ0
o
, oteplení motoru před poruchou
Δϑ ∞ = Δϑdov Pro tento druh jištění jsou termistory vzhledem ke své časové konstantě méně vhodné než tepelné relé Ochrana pohonů před účinky zemních spojení : V případech zemních spojení dochází: - k zvýšenému namáhání izolace proti zemi,(včetně filtračních kondenzátorů) - k zvýšenému nebezpečí při dotyku živých částí,
- k možnosti nežádoucích sepnutí (při zemních spojeních v izolované soustavě napájející ovládací obvody). Opatření k zamezení těchto účinků: - použití hlídaní izolačního stavu pomocí relé popř. speciálních souprav (např. HIL), s dvouhladinovým výstupem (signalizace, vypnutí). - jednopólové přizemnění ovládacího obvodu. Ochrana pohonů před poklesem popř. ztrátou napájecího napětí. V důsledku uvedených jevů, může dojít k odpojení kontaktních spínačů s možností jejich nežádoucího opětného zapnutí při návratu do původního stavu (obnově napětí). Toto může postihnout zejména pohony a spotřebiče s ovládáním neimpulzním (s trvale zapnutým ovládacím spínačem např. programovým). Vyloučení tohoto nepříznivého jevu lze provést: - použitím podpěťových spouští (tzv.nulových cívek) u napájecích jističů (v provoze většinou nežádoucí a bývá proto omezeno na aplikace, kde to je předepsáno normou popř. předpisem) - provedením blokování v napájení ovládacích obvodů (impulzně ovládaným pomocným stykačem)
6. Jištění pohonů se střídavými motory na vysoké napětí (vn) Oproti jištění motorů u nn jsou zde následující rozdíly: - jistící relé jsou vždy sekundární , - možnost použití rozdílových relé, - nutnost použití podpěťového relé, - nutnost kontroly kabelu na oteplení při zkratu. Jištění pomocí nadproudové ochrany Starší způsob jištění, který se ovšem na stávajících zařízeních ještě vyskytuje. Ochrana obsahuje: - nadproudové články (0,8÷1) IN , napájené přes pomocné trafo s malým nadproud. číslem (zohledňuje Izáb.). - zkratové články (7÷10) IN , napájené přímo z proudového přístrojového trafa. Oba články jsou vybaveny kontaktními výstupy, kterými se ovládá vybavovací cívka výkonového vypínače .V normálním provozním stavu bývá spojen obvod této cívky přes sériově řazené rozpínací (klidové) kontakty článků nakrátko. Rozpojením jakéhokoliv z kontaktů dojde k vybavení cívky. V případě použití cizího zdroje (např. akumulátorová baterie) je možno použít paralelního řazení zapínacích kontaktů od jednotlivých. článků.
obr. 6.1
Schéma zapojení nadproudové ochrany pro motor vn
Nadproudová závislá ochrana motorů řady ALOX M Jedná se o elektronickou nadproudovou závislou ochranu určenou k chránění AM na vn před přetížením a zkratem , vyráběnou v ZPA Trutnov ve dvou základních provedeních: ALOX M100 - určeno k jištění motorů pracujících v technologicky stálém režimu ALOX M200 - určeno k jištění motorů pracujících v technologicky proměnném režimu Ochrana plně nahrazuje dosavadní nadproudové ochrany řady AB ALOX M100 - obsahuje : - dvoustupňový nadproudový článek, (1.a 2. stupeň přetížení motoru 1.stupeň. Inast < 1,15 INMot ,
)
2. stupeň.: Inast < 1,5 INMot
- ochranu motoru při rozběhu (2÷3).IN, (1-64 s) - zkratovou jednotku (4,5 ÷12) .IN, (50-200 ms) ALOX M200 - obsahuje: - dvoustupňovou nadproudovou ochranu s nast. č. zpožděním 1-320 s. 1.stupeň. - nadproudový článek (1-6,2 ) Ie , 2.stupeň. - zkratový článek (4-20) Ie - dvousložkový tepelný model s časovými. konstantami τ2 , (10÷150 min.), modelující skutečný tepelný stav v motoru,
τ1, (1÷15 min.),
- zkušební jednotku pro ověření pohotovosti a spolehlivosti , - napájecí a stabilizační jednotku. Pro případ nulového počátečního oteplení je oteplovací křivka modelu dána vztahem :
t t ⎤ ⎡ − − τ τ Δϑ = Δϑ∞ .⎢1 − k.e 1 − (1 − k ).e 2ir ⎥ ⎢⎣ ⎥⎦
k
=
Δϑ 1∞ Δϑ 2 ∞
,
, kde
Δϑ ∞ = Δϑ 1∞ + Δϑ 2 ∞
Poznámka : K praktickému určení oteplovacích časových konstant τ1, τ2 u motoru je nutno znát průběhy oteplovací a ochlazovací křivky motoru (aspoň 5 bodů každé z nich). Vlastní určení je pak možno provést analyticky pomocí metody nejmenších čtverců.(Výrobce ochrany má k dispozici program, který určí několik možných variant, které se blíží skutečnému průběhu). Vlastní nastavení parametrů na ochraně se provede dle pokynů výrobce uvedeném v návodu.
obr. 6.2 Zjednodušené blok. schéma ochrany ALOX 200M Rozdílová (diferenciální) ochrana. Jistí motor i přívodní kabel před účinky vnitřních zkratových poruch uvnitř strojů (částečné a úplné mezizávitové zkraty) použití: velké asynchronní a synchronní stroje (PN > 4 MW) působení: okamžité (vhodné pro popud k odbuzení synchronních strojů) Ochrana proti zemnímu spojení (zemní relé) Jistí proti účinkům zemního spojení, které se projevuje: - ve zvýšeném namáhání izolace proti zemi, - v možnosti vzniku oblouku rozvodné síti.
u velkých synchronních strojů a rozsáhlé
kabelové
Obr 6-3 Příklady možných zapojení elektronických ochran u vn motoru 7. Jištění u pohonů s AM napájenými z měničů frekvence (s řízením regulačního typu). Měnič včetně přívodu je nutno jistit proti zkratu velmi rychlými pojistkami m(s charakteristikou gR), jejichž hodnoty bývají uváděny v průvodní technické dokumentaci dodávané k jednotlivým typům měničů. Tyto pojistky jistí přívodní vedení i vstupní usměrňovač měniče. Jištění proti přetížení měniče bývá většinou realizováno výpočtem tepelného integrálu ve vlastním měniči s možností jeho programového nastavení. Proudy v dynamických režimech jsou závislé na požadovaném zrychleni event. zpoždění pohonu a nikoliv na velikosti Izáb motoru. U většiny měničů bývá uváděno dovolené krátkodobé přetížení měniče po dobu 1 min., popř. další krátkodobé přetížení po dobu několika sekund ( k usnadnění „utržení“ mechanismu při rozběhu). Tato přetížení jsou možná jednorázově v udané pracovní periodě (např. 3-5 minut). Skutečná přetížitelnost může pak ovlivnit dimenzování měničů. Jištění proti přetížení motoru bývá většinou realizováno výpočtem tepelného integrálu ve vlastním měniči s možností jeho programového nastavení. Při tomto je často možnost zohlednění zhoršení chlazení v oblastech malých rychlostí (u motorů s vlastní ventilací ). Jištění proti přetížení pomocí nadproudových relé je doporučováno: - v obvodech externích brzdových rezistorů, - u vícemotorových pohonů napájených ze společného měniče v přívodech k jednotlivým motorům. U některých typových provedení U-měničů je ve ss meziobvodu velmi rychlá pojistka. V případech propojení ss meziobvodů u více měničů se rovněž doporučuje použití odpojitelných pojistek pro každý měnič. Pro případ ustáleného dlouhodobějšího chodu pohonu v oblastech velmi malých rychlostí (u motoru s cizí ventilací) a v odbuzeném stavu (při U=konst.) dochází často k jeho proudovému a tím i tepelnému přetěžování i v případech, kdy MPM < MN. Toto většinou nebývá obsaženo v ochraně měniče proti přetížení a proto se doporučuje vybavit motory teplotními čidly (soupravami), jejichž výstup je připojen k měniči, který provede vyhodnocení této poruchy. Kromě těchto základních jistících funkcí jsou v měniči zahrnuty další přídavné funkce jako např.:
- hlídání izolačního stavu, - výpadek, symetrie, popř. pokles fáze napájecího napětí, rozpojení fáze na výstupu, hlídání napětí v meziobvodu, hlídání oteplení chladičů apod.
8. Jištění u regulovaných pohonů se stejnosměrnými motory Rozsah ochranných funkcí měniče a vybavenost vnějšími jistícími přístroji je závislá na : - veikosti motoru - druhu měniče a způsobu řízení rychlosti - napájecím napětím (nn, vn) Výzbroj střídavé napájecí strany je možno volit obdobně jako u střídavých regulovaných pohonů s tím, že je nutno provést přepočet jmenovitého proudu motoru na stříd. stranu. V jednotlivých větvích s polovodičovými ventily bývají u měničů větších výkonů zapojeny velmi rychlé pojistky, které chrání ventily před účinky zkratu. Propustný integrál pojistky musí být menší než Joulův teplotní integrál součástky. Ve většině měničů bývají integrovány tyto jistící a ochranné funkce : - proudové omezení - výpadek fázových napětí - přepěťová ochrana - podproudová ochrana budícího obvodu motoru - rychlé odbuzení - hlídání teploty chladiče
V kotevním obvodě bývá u větších pohonů zapojen rychlovypínač, jehož funkce spočívá ve vypnutí při zkratu v kotevním obvodě a tím v zabránění nežádoucího přetavení velmi rychlých pojistek (časově i finančně náročná výměna). V případech vícemotorového pohonu s motory připojenými k jednomu měniči je vhodné jednotlivé vývody k motorům opatřit minimálně nadproudovou ochranou.
obr. 8.1 Blokové schéma ochran u reverzačního ss pohonu napájeného ze sítě vn
