Какой ток потребляет трехфазный двигатель. Защита электродвигателя автоматическим выключателем. Практические расчеты

Автоматический выключатель для электродвигателя это механическое устройство, которое выполняет функцию включения, выключения и защиты напряжения тока в сети. Автомат не допускает перегревания обмоток и линий, впоследствии перебоя или большой нагрузки тока. Автоматические выключатели довольно успешно заменили привычные пробки, т.к. они гораздо удобнее и надёжнее, а также долговечнее. Дома чаще всего используются модульные автовыключатели. Они и аккуратны и преимущественно компактнее пробок, так же они очень легко и быстро устанавливаются.

Итак, первый способ это рассчитать общую мощность устройств, которые будут запитаны от этого выключателя. Рассчитываем, что за приборы (телевизор, холодильник, компьютер, стиральная машинка и т.д.) будут подключены в данную цепь электротока, складываем мощность всех этих приборов и на основе этого вычисляем ток розеточной группы. При таких расчетах следует учитывать, сколько фаз в вашем раставшем электродвигателе. Например, в трехфазном, с мощностью в 4 кВт, 4 ∙ 3 = 12А, значит 12А – это сила рабочего тока. Значит, к такому электродвигателю подойдет автомат на 16А.

Второй способ рассчитать максимальную мощность приборов подключенных к автомату, это подсчитать суммарную мощность через паспорта каждого прибора. На паспортах приборов указана мощность, вот суммируем ее и определяем общую мощность. Как пример, 2кВт + 600Вт + 2100Вт = 4700Вт. Теперь просто подставляем значение в общепринятую формулу: I=W/U, где I – это мощность, W – вольтаж и U – ток в сети; I= 4700 делим на 220, вот и получаем 21,36А. Но не забываем, что стиральные машины и некоторые другие приборы имеют свои моторы, и у них есть так называемый пусковой ток, который при запуске намного больше, чем указана мощность прибора. Но производители автоматов это прекрасно знают и поэтому на выключателях есть уставка по току.


Подобрать автомат не так уж и сложно, руководствуясь следующими правилами:

  • Главная характеристика для автоматов это номинальный ток, измеряющийся в Амперах. Диапазон от 6 до 100А.
  • Кратковременное значение тока, при котором автомат не будет срабатывать. Это, по-простому, скачки тока к которым чувствителен выключатель. Приборы выключения относят к трём номиналам: «В», «С», «D». Самый слабый к скачкам номинал «В».
  • Описания включателя должны быть отражены на шильдике автомата.
  • Выключатели делят по фазам.
  • Советуют подбирать для быта сразу несколько выключателей номинала «С». Один ставить на входящий ток, остальные отдельно друг от друга по ходу тока и присоединения приборов.

Существует множество разновидностей двигателей мощностью 15 кВт ток, но все они имеют различные характеристики. Рассмотрим примеры таких двигателей.

Самыми распространёнными являются вот такие образцы движков:

  • Электродвигатель асинхронный 4АМ160S4 15/1460 380-660В;
  • Электродвигатель 15 квт 1500 об мин;
  • Электродвигатель 15кВт на 3000 об мин АИР160S2 и 15 кВт на 1500 АИР160S4;
  • Электродвигатель АИР160S2 15,0 кВт 3000 об АИР 160 S2;
  • Электродвигатель 15кВт 1000 об мин АИР160M6.


Всех объединяет две характеристики, это мощность на 15 кВт и трёхфазность, и тип двигателя – асинхронный и конечно наличие контактора. Остальные характеристики, такие как частота вращения, тип ротора и марка все отличаются. Электродвигатели такого типа предназначены для выполнения работ от сети с переменным током частоты 50 Гц и производятся на такие номинальные напряжения:

  • 220 В;
  • 380 В/220 В;
  • 380 В;
  • 660 В;
  • 380 В/660 В.


Еще варианты подбора и информации об автоматах для электродвигателей смотрите в видео на соседней вкладке.

В электроустановках напряжением 0,4 кВ основными защитами оборудования и линий от всех видов повреждений являются токовая отсечка (ТО) и максимальная токовая защита (МТЗ) . ТО защищает сети от токов коротких замыканий (КЗ) , срабатывание такой защиты выполняется без выдержки времени, а пороговое значение тока срабатывания находится в пределах 10-12 Iн.

МТЗ иначе называется защитой от перегрузок и не допускает перегрева обмоток оборудования и линий, вследствие протекания недопустимого тока нагрузки. Выдержка времени задается в зависимости от величины перегруза.

Защиту электродвигателей (как и большинство других электроприемников) от коротких замыканий и токовых перегрузок выполняют с помощью автоматических выключателей. Наиболее распространенные отечественные серии автоматов: А3100, А3700, ВА, АЕ, “Электрон”, “АВМ”.

Защитные характеристики автоматов . При выборе выключателей очень важную роль играет его защитная характеристика, зависящая от типа расцепителя и определяющая время его срабатывания. Автоматы различаются по следующим защитным характеристикам:

· с независимой характеристикой отключения - имеют электродинамический или полупроводниковый расцепитель, работающий в зоне токов КЗ без выдержки времени;

· с зависимой защитной характеристикой. Выполняются только с тепловым расцепителем в виде биметаллических пластин. Чем больше ток, тем меньше времени затрачивается на нагрев биметалла, и соответственно, быстрей отключается расцепитель. Аппараты, имеющие такую характеристику, используются редко, из-за ограниченных возможностей защиты.

· ограниченно-зависимая защитная характеристика автоматов - подразумевает использование комбинированного типа расцепителя. При небольших уровнях токов КЗ работает тепловой расцепитель, при значительно больших токах - электродинамический. У выключателей серии АВМ электродинамический расцепитель имеет две ступени срабатывания, поэтому тепловой не применяется. Ограниченно-зависимой характеристики добиваются также применением полупроводниковых расцепителей.

· трехступенчатая защитная характеристика - выполняется на базе полупроводниковых расцепителей типа РМТ , БПР , РП . Такими расцепителями оборудуются выключатели серии А3700, ВА, “Электрон”.


Особенность выбора уставок токовой отсечки двигателей состоит в отстройке защиты от пусковых токов. Так, запуск или самозапуск асинхронных электродвигателей может сопровождаться возрастанием тока в 6-7 раз. Кроме того, пусковой ток содержит периодическую и апериодическую составляющие.

Следует учитывать, что выключатели серии А3100, А3700, ВА, АП-50 и АЕ-20 не имеющие полупроводниковых расцепителей, реагируют на апериодическую составляющую и могут производить ложные срабатывания. Массивный якорь АВМ также может срабатывать при кратковременном броске апериодического тока, что приводит к ложному отключению.

Отстройка автоматов от пусковых токов определяется выражением:

     Iо ≥ kн Iпуск;

Iо - ток срабатывания отсечки;
Iпуск - пусковой ток, каталожное значение;
kн - коэффициент надежности отстройки отсеки от пусковых токов: для выключателей с полупроводниковым расцепителем равен 1,5-2,2, для электромагнитного расцепителя 1,8-2,1.

Коэффициент чувствительности для токовой отсечки, при однофазных и двухфазных КЗ должен находиться в пределах:

     kч ≥ I(2)кR/ Iо ≥ 1,1kp;
     kч ≥ I(1)кR/ Iо ≥ 1,1kp;

I(2)кR и I(1)кR - соответственно, минимальный ток двух- и однофазного замыкания на зажимах двигателя. Приближенно 1,1kp принимают равным 1,4-1,5.

Выбор уставки МТЗ определяется выражением:

     Iмтз ≥ kн Iн.дв./kв;

kв - коэффициент возврата, характеризующий значение тока, при котором защита переходит в несработанное состояние.

Защита считается выбранной верно если:

     Iмтз = (1,2-1,4) Iн.дв;

Ограниченно зависимые защитные характеристики выключателей А3134, А3144, АВМ и “Электрон” не позволяют выбрать ток уставки МТЗ удовлетворяющий вышеприведенному выражению, поэтому их применяют как резервные защиты от перегруза, основную функцию защиты от перегруза в этом случае выполняют тепловые реле.

Наиболее подходящими автоматами для защит электродвигателей от перегруза являются автоматы серии А3700 и ВА, оснащенные полупроводниковыми расцепителями. Время срабатывания МТЗ подбирается таким образом, чтобы не произошло излишнего отключения цепи, при пуске или самозапуске двигателя:

     tмтз ≥ (1,5-2) tпуск;

Легким считается пуск двигателя длительностью 0,5-2 сек, тяжелым пуском называется процесс длительностью 5-10 сек. Автоматические выключателя типа А3700, ВА, “Электрон” с полупроводниковыми расцепителями позволяют регулировать время срабатывания МТЗ .


. Зарубежные производители для защиты электродвигателей от ненормальных режимов предлагают специальные мотор-автоматы, которые могут работать автономно и в блоке с магнитным пускателем. Выполняя функции защиты электрических машин, такие автоматы имеют ряд отличий от простых отечественных аппаратов:

· выпускаются только в трехфазном исполнении;
· имеют повышенную элктродинамическую стойкость, до 100 кА;
· тепловой расцепитель позволяет выполнить точную подстройку под каждый двигатель;
· номинальный ток электромагнитного расцепителя 12-14 Iн, что позволяет настроить защиту, с учетом пусковых токов двигателей;
- модульная конструкция автоматов позволяет расширять функции защиты, применяя дополнительные блоки.

Наиболее широкое применение, мотор-автоматы получили в приводах с двигателями мощностью до 12,5 кВт при напряжении 380В. Изделия концерна АВВ типа MS225 с номинальным током 25 А, регулируемым расцепителем от 0,1 до 25А имеют электродинамическую стойкость 50 кА.

MS116 - мотор-автоматы открытого типа не имеющие дополнительного оборудования, номинальный ток 16А, электродинамическая стойкость 10 кА. MS450 и MS495 аналогичны MS225 но рассчитаны на ток до 100 А.

Мотор-автоматы компании «SCHNEIDER ELECTRIC» марки GV оснащены термомагнитным расцепителем. Магнитный расцепитель имеет фиксированную уставку 13 Iн, служит для защиты от КЗ . Тепловой расцепитель может быть отрегулирован с помощью специальных дисков, расположенных на лицевой поверхности аппарата, также имеется устройство компенсации температуры окружающей среды.

Аппараты этой марки могут быть укомплектованы расцепителями минимального напряжения. Такое устройство позволяет предупредить несанкционированный самозапуск оборудования, после посадки напряжения. Мотор-автоматы марки GV рассчитаны на токи от 1,5 до 22,5 А.


Способ №1.
Для того что бы определить номинал автомата, необходимо знать суммарную мощность приборов, которые будут через него подключаться. Т.е. примерно прикидываем. что мы будем включать, например, в розетки (электрочайник, холодильник, телевизор и т.д.) складываем мощность этих приборов и исходя из этого вычисляем рабочий ток розеточной группы, используя следующую формулу: при однофазной нагрузке на 1 кВт мощности приходится ток, равный 5А. При трехфазной нагрузке на 1 кВт приходится ток, равный 3А. Допустим, у нас получилось 3,6 кВт, умножаем на 5. Получается 18А - это рабочий ток. Номинальный то автомата должен быть больше рабочего - выбираем автомат на 25А. Таким же образом рассчитываем номинал автомата для подключения, например, мощностью 4 кВт: 4 умножаем на 3 получаем 12А -рабочий ток, выбираем автомат на 16А. При выборе автоматов для защиты асинхронных трехфазных электродвигателей необходимо учитывать, что пусковой ток электродвигателя в 5-7 раз больше номинального. Поэтому выбирать автомат по номиналу нельзя, т.к. при запуске его будет постоянно выбивать. Для асинхронных электродвигателей с коротко-замкнутым ротором при небольшой частоте включения и легких условиях пуска (время пуска 5-10 секунд) номинальный ток автомата должен быть не менее 0,4 пускового тока электродвигателя. При тяжёлых условиях работы (частые запуски, продолжительность разбега до 40 секунд) соотношение рекомендуется увеличить с 0,4 до 0,6.

Способ №2.
Первое, что мы должны сделать, так это посмотреть паспорта электроприборов, включаемых в одну сеть и выяснить мощности каждого. К примеру, чайник 2 кВт, лампа 100 Вт, холодильник 600 Вт, стиральная машина 2,2 кВт. Подключать мы будем к одной фазе одним кабелем. То есть на конце 3 розетки и один выключатель. Значит, мощность на кабель ляжет суммарная 2 кВт + 100 Вт + 600 Вт + 2,2 кВт. Чтобы не путаться, давайте перейдем к ваттам. 2000 Вт + 100 Вт + 600 Вт + 2200 Вт (кВт - это киловатты, то есть тысячи ватт. Поэтому кВт умножаем на 1000). В итоге мы получаем 4900 Вт. Еще раз повторимся, это суммарная мощность всех приборов, приходящаяся на один кабель. Теперь нам надо просто узнать ток. Берем формулу и подставляем значения. W=U*I отсюда I=W/U I=4900/220 I=22,27A. А здесь вы меня остановите и скажите: "А ведь у стиральной машины и холодильника есть моторы. Как же с реактивным сопротивлением?" И будите правы, но при хорошем заземлении и хорошем нуле для однофазных моторов про реактивные сопротивления можно забыть. Вроде все хорошо, да не все. Опять моторы портят все. Если нагревательные приборы всегда потребляют ток один и тот же, то моторы имеют, так называемый пусковой ток. И он при старте очень большой. Для этих целей производители автоматов предусмотрели такую вещь, как уставка по току. Вот и все.

Что такое уставка по току? Спросите вы. А вот что. Все автоматы делятся на три группы. B C D. Эти группы делят так: B от 3 до 5, C от 5 до 10, D от 10 до 14. Что эти цифры означают. В автомате есть токовый расцепитель. Он срабатывает, когда ток превышает заданный предел. Так вот чтобы при старте мотора автомат не выбивал, существует уставка по току. Это то что держит автомат несколько секунд при старте мотора. А цифра означает всего-навсего коэффициент. То есть если ток при старте превысит номинальный в 4 раза, то автомат нам нужен группы В. А если в 10 раз, то D. Для стиральных машин и холодильников подойдет группа C. И для нашего примера нам нужен автомат на 25А и группа С. Маркировка будет такой С25

Как правильно подобрать автоматический включатель для электродвигателя и другого электротехнического оборудования, учитывая сечение токопроводящего кабеля.

При подборе автоматической защиты для электродвигателя, необходимо так же учитывать сечение токопроводящего кабеля, чтобы избежать плавления или возгорания электрической проводки.
Здесь имеет значение материал провода, количество жил кабеля, и то, как он уложен, открыто, в стену и т.д.
Допустим, у нас двухжильный медный провод с сечением 4 мм.кв. уложенный в стену, смотрим по первой таблице максимально допустимую силу тока, она равна 32 А. Но при выборе автоматического выключателя эту силу тока нужно уменьшать до ближайшего нижнего значения, для того чтобы провод не работал на пределе. Получается, что нам нужен автомат на 25 А.

Так же нужно помнить, если нужен автомат на розеточную группу, то брать выше 16 А нет смысла, так как розетки больше 16 А выдержать не могут, они просто начинают гореть. На освещение самый оптимальный автомат на 10 А.

Допустимый длительный ток для проводов и кабелей с медными жилами

Сечение
тонкопроводящей жилы, мм2
открыто в одной трубе
двух
одножильных 		трех
одножильных 		четырех
одножильных 		одного
двухжильного 		одного
трехжильного

Допустимый длительный ток для проводов и кабелей с алюминиевыми жилами

Сечение
тонкопроводящей жилы, мм2 		Ток, А, для проводов, проложенных
открыто в одной трубе
двух
одножильных 		трех
одножильных 		четырех
одножильных 		одного
двухжильного 		одного
трехжильного

Особенностью защиты электродвигателя от перегрузок и короткого замыкания является повышенный пусковой ток, который может в семь раз превышать номинальное значение. Самые сильные перегрузки на старте свойственны асинхронным двигателям с короткозамкнутым ротором, которые наиболее используемые в быту и на производстве, поэтому правильная их защита, а также предохранение электропроводки цепей питания электродвигателей являются особенно актуальными.

В бытовой электротехнике проблема с большими стартовыми токами электродвигателей решена при помощи автоматических выключателей, у которых отключение (отсечка) происходит не сразу после превышения номинального тока, а спустя некоторое время.

Данного отрезка времени, который зависит от время-токовой характеристики защитного автомата, должно хватить, чтобы вал двигателя раскрутился до рабочих оборотов, и потребление тока снизилось до номинального уровня. Но автоматические выключатели не обладают гибкостью точной настройки, поэтому для защиты электрических двигателей применяются специальные защитные устройства.


Обычный трехфазный автоматический выключатель часто используется для защиты электродвигателей

Функции защитных устройств электродвигателей

Современные защитные устройства, или другими словами, автоматы защиты электродвигателя, (мотор автоматы), часто совмещаются в одном корпусе с коммутационными аппаратами запуска (пускателями) и выполняют такие функции:




Мотор автомат с ручной настройкой и автоматическим управлением

Ранее и до недавнего времени наиболее используемой схемой защиты электродвигателей было подключение в корпусе пускателя теплового реле, последовательно с контактором. Биметаллическая пластина теплового реле при длительной перегрузке нагревается и прерывает цепь самоподхвата контактора. Кратковременное превышение номинальной нагрузки при запуске мотора является недостаточным для нагрева и срабатывания биметаллической пластины. Более подробно о и его подключении можно прочитать в соответствующем разделе данного ресурса.


Контактор электромотора с тепловым реле

Подбор автоматического выключателя

Поскольку первые две функции могут осуществляться обычными автоматическими выключателями, многие пользователи применяют их для защиты своих электродвигателей. Основным недостатком такого способа является отсутствие защиты от дисбаланса, обрыва фаз и скачков напряжения. Выбор защитного автомата осуществляется по его время токовой характеристике и по максимальному пусковому току электродвигателя.


Трехфазный автоматический выключатель

Чтобы правильно подобрать автоматический выключатель по категории и номинальному току, нужно изучить его , о которой подробно рассказывается на одной из страниц данного сайта. Категории автоматов (А, B, C, D) определяются соотношением тока отсечки электромагнитного расцепителя к номинальному значению. Нужно иметь в виду, что время токовая характеристика категории не зависит от номинала автоматического выключателя.

Времятоковая характеристика автоматических выключателей категории «C»

Для предотвращения ложного срабатывания автоматического выключателя при запуске электромотора необходимо, чтобы кратковременный пусковой ток (I пуск) не превышал значение отсечки (мгновенного срабатывания, I мгн.ср) автомата. Отношение пускового (I пуск) и номинального тока (I n) можно узнать из бирки или паспорта электродвигателя, максимальное значение I пуск / I n =7.

Если известна только мощность электродвигателя, то рассчитать номинальный ток можно по формуле I n = Р n /(U n *√3*η*cosφ), где Р n – мощность, U n – напряжение, η – КПД, cosφ – коэффициент реактивной мощности двигателя.


Бирка двигателя с указанием мощности

Практические расчеты

На практике применяют поправочный коэффициент надежности K н, который для автоматов с I n <100A равен 1,4, а для I n >100A принимают K н =1,25. Поэтому должно соблюдаться условие I мгн.ср ≥ K н * I пуск. Вначале автомат выбирают, исходя из наиболее близкого значения номинального тока автоматического выключателя I AB (указывается на корпусе) к рабочему току двигателя (I n). Необходимое условие: I AB > I n /К т, где К т = 0,85 – температурный коэффициент, если автомат устанавливается в шкафу или щитке, иначе К т =1.

Например, имеется двигатель мощностью 5,5 кВт, η = 85%=0,85; cosφ = 0,8; I пуск / I n = 7. Вначале нужно рассчитать I n ­ = Р n /(U n *√3*η*cosφ) = 5500/(380*√3*0,85*0,8) = 12,28 (А). Допустим, автомат устанавливается в шкаф, К т = 0,85, значит I n /К т = 12,28/0,85 = 14,44 (А). Наиболее близким является автоматический выключатель на 16А, категории С, (ток мгновенного срабатывания в десять раз превышает номинальное значение).


При расчетах понадобится калькулятор

Теперь нужно проверить условие I мгн.ср ≥ K н * I пуск. Мгновенное срабатывание защитного автомата наступает при I мгн.ср = 16*10 = 160 (A), пусковой ток I пуск = I n *7 = 12,28*7 = 85,96 (А). Умножаем на K н (1,4) — 85,96*1,4 = 120,3 (А). Проверяем условие 160 ≥ 120,3 — это значит, что автомат выбран верно. Для упрощенных расчетов, можно принимать номинальный ток двигателя, равным удвоению его мощности, выраженной в киловаттах.

Современная электрозащита двигателей

На рынке электротехнического оборудования все большую популярность набирает защита электродвигателя при помощи универсальных защитных устройств, так называемых мотор автоматов, которые выполняют все приведенные выше защитные функции. Данные устройства имеют модульную конструкцию и устанавливаются на DIN рейку и управляют работой силовых контакторов. Кроме приведенных функций, некоторые мотор автоматы позволяют точно регулировать различные параметры защитного отключения.


Мотор автомат с датчиками — катушками тока

Существует много разновидностей современных мотор автоматов, которые различаются коммутируемой мощностью, набором функций, способом управления, схемой подключения и внешним видом. Чтобы выбрать подходящий аппарат защиты для конкретного двигателя, необходимо знать его параметры номинального и пускового тока, а также нужно определиться с требуемым набором защитных функций и опций.

Стоимость мотор автоматов прямо пропорциональна мощности электродвигателя и функциональным защитным возможностям. Мировыми лидерами по производству защитных мотор автоматов являются такие известные бренды: Schneider Electric, ABB, IEK, Novatek electro, и другие.


Разнообразие представленных на рынке устройств защиты электродвигателей

Приведенный на рисунке ниже автомат защиты двигателя (универсальный блок) позволяет настраивать номинальный и пусковой ток электродвигателя, допустимые пороги напряжения, может отслеживать механическую нагрузку на валу электромотора. Также осуществляется контроль за качеством изоляции обмоток электродвигателя с возможностью установки запрета на включение.

Постоянный мониторинг множества параметров работы позволяет продлить срок эксплуатации двигателя и приводимого в действие оборудования. Специальный дополнительный блок обмена информацией позволяет подключить устройство к автоматическим системам контроля.


Универсальный блок защиты

Защита электромоторов на производстве

Очень часто, в момент включения мощных потребителей электроэнергии (P>100кВт) на мощных производствах во всей электросети, подключенной к трансформаторной подстанции, напряжение опускается ниже установленного минимума.

При данном кратковременном падении напряжения рабочие электромоторы не отключаются, но теряют обороты. При возобновлении нормального напряжения двигатель снова начинает набирать обороты, то есть работать в режиме запуска (перегрузки). Данное явление называют самозапуском .


Изменения скоростей двигателя в разных режимах самозапуска

Если биметаллическая пластина автоматического выключателя или термореле была достаточно прогрета из-за продолжительной нормальной работы электромотора, то в режиме самозапуска тепловой расцепитель может сработать, вызвав ложное срабатывание.

Для мощных электродвигателей на предприятиях для поддержания нормального режима работы, в том числе и после самозапуска, применяют релейную защиту с трансформаторами тока, включенными в цепь питания.

Схема релейной защиты электродвигателя

Отклонения от нормы в силовых проводах электродвигателя с подключенными последовательно первичными обмотками токовых трансформаторов используются для срабатывания защитных реле, которые подключатся к вторичным обмоткам токовых трансформаторов по специальным схемам. Сложные расчеты данных мощных систем защиты осуществляются штатными сотрудниками, заведующими энергоснабжением предприятия, поэтому теория производственной электротехники не входит в тему данной статьи.

 

Возможно, будет полезно почитать: