Сравнительный анализ конструкций современных автоматических выключателей для защиты электродвигателей мощностью до 45 кВт



В статье авторы анализируют конструкцию современных автоматических выключателей для защиты электродвигателей мощностью до 45 кВт.

Ключевые слова: автоматический выключатель, защита электродвигателей, MPCB, отключение, защита от токов короткого замыкания, перегрузки.

Введение

По оценкам Международного энергетического агентства, 53 % мировой электроэнергии, или 10700 ТВт*ч в год, потребляется системами электродвигателей. Предполагается, что этот процент будет продолжать расти в обозримом будущем. При таком большом проценте производственных мощностей, основанных на электродвигателях, важно обеспечить надлежащую защиту двигателей и их цепей, чтобы обеспечить максимальное время работы и минимальное время простоя. Поскольку пусковой ток в 6–13 раз превышает номинальный рабочий ток, то неправильно защищенные двигатели, электрические цепи на современных производственных предприятиях могут означать потери от простоя производства от десятков тысяч до сотен тысяч рублей в час, не считая стоимости производственных материалов, которые могут быть уничтожены. Для создания условий эксплуатации, в которых обеспечивается максимальный срок службы и безопасность применения электродвигателей, необходимы электрические аппараты для оперативного управления и защиты от аварийных событий. Одним из таких аппаратов, предназначенных для указанных действий, является автоматический выключатель.

Обзор автоматических выключателей для управления и защиты электродвигателей

Автоматические выключатели для управления и защиты электродвигателей (MPCB) предназначены для включения, отключения электродвигателей и их защиты от токов короткого замыкания и перегрузки для многократного использования. Сегодня на рынке представлена продукция разных производителей в широком ценовом диапазоне. Известно 3 отечественных и 12 зарубежных производителей исследуемых изделий: Schneider Electric, ABB, Legrand, КЭАЗ, Allen-Bradley, IEK, DEKraft, EKF, Hyundai Electric, LS Industrial, Siemens, Mitsubishi Electric, Benedict, EATON, CHiNT. Вместе с тем отсутствуют современные автоматические выключатели для управления и защиты электродвигателей отечественного производства, которые были бы конкурентоспособны с зарубежными производителями в соотношении «цена-качество». Это подтверждается их отсутствием в реестре изделий отечественного производства Минпромторга РФ. Поэтому актуальной задачей является создание технических решений в области разработки автоматических выключателей для защиты электродвигателей. Решение задачи способствует выполнению отраслевого плана Министерства промышленности и торговли (шифр 05ЭМ12 «Выключатели автоматические на напряжение не более 1 кВ») по снижению доли импорта выключателей автоматических на напряжение не более 1 кВ с 75 % в 2019 году до 25 % в 2024 году.

Современные автоматические выключатели MPCB зарубежных производителей имеют одинаковый внешний вид. Для ручного управления используется поворотная рукоятка, рычаг или кнопка. Примеры различных способов управления на примере автоматических выключателей серии TeSyS GV2 производства «Schneider Electric» приведены на рисунке 1.

а) управление поворотной рукояткой	б) управление рычагом	в) управление кнопками

Рис. 1. Способы ручного управления автоматическими выключателями на примере серии GV2 производства «Schneider Electric»

Особенностью ручного управления в виде поворотной рукоятки является фронтальная идентификация рабочего состояния автоматического выключателя. Проиллюстрируем это на рисунке 2.

«ON» –включено; «TRIP» — сработал; «OFF» –отключено

Рис. 2. Идентификация рабочего состояния автоматического выключателя

Все автоматические выключатели с поворотной рукояткой могут быть заблокированы с помощью пломб или навесных замков, установленных на рукоятке, что обеспечивает большую безопасность при остановках для обслуживания панелей и электродвигателей (изображено на рисунке 3). Дополнительная функциональность обеспечивается отдельными сборочными единицами. Например, независимый расцепитель обеспечивает дистанционное отключение выключателя, а расцепитель минимального напряжение — отключение выключателя при падении напряжения ниже нормированного уровня. Такие аксессуары, как вспомогательный контакт, контакт сигнализации, установленные на автоматических выключателях, позволяют сигнализировать об отключении с помощью электрической индикации или визуального осмотра механических индикаторов на данном аксессуаре (рисунок 4).

Рис. 3. Блокировка рукоятки замком

Рис. 4. Аксессуары автоматического выключателя для индикации

Также дополнительную функциональность обеспечивают следующие комплектующие:

— дополнительные рукоятки, установленные на автоматических выключателях и позволяющие осуществлять выносной привод автоматических выключателей на панели низковольтных комплектных устройств (НКУ), обеспечивая безопасную работу и полную изоляцию токоведущих частей от пользователей (рисунок 5);

— соединения в виде зажимов автоматических выключателей, которые обеспечивают более быстрый монтаж силовых кабелей и принадлежностей. С помощью отвертки можно выполнить соединения за более короткое время по сравнению с винтовыми клеммами. Благодаря специальным пружинам на соединительных зажимах подтяжка не требуется, так как система соединения обеспечивает постоянное давление на кабели (рисунок 6);

— защита крышкой переключателя расцепителя позволяет заблокировать шкалу настройки тока на термомагнитных автоматических выключателях. Используя пломбу вместе с этим приспособлением, можно обеспечить надежность установки уставок на автоматических выключателях от несанкционированного доступа (рисунок 7);

— оболочки, обеспечивающие степень защиты до IP55 (рисунок 8).

Однако, следует отметить, что все автоматические выключатели защиты электродвигателей имеют степень защиты IP20 на передней панели для предотвращения непреднамеренного прикосновения к токоведущим частям без необходимости использования дополнительных аксессуаров.

Рис. 5. Выносной привод на панели НКУ	Рис. 6. Соединение зажимами токоведущих проводников	Рис. 7. Защитная крышка переключателя расцепителя

Рис. 8. Оболочки, обеспечивающие степень защиты до IP55

В любом автоматическом выключателе для управления и защиты электродвигателей есть следующие основные узлы: токоведущая система, дугогасительная система, привод выключателя, коммутирующее устройство автоматического выключателя, механизм свободного расцепления и элементы защиты — расцепители.

Типовая конструкция автоматического выключателя для защиты двигателей на токи до 100 А представлена на рисунке 9 (на примере MPCB серии 140MT производства Allen-Bradley). Детали автоматического выключателя для защиты электродвигателя плотно скомпонованы и необходимо их точное согласование друг с другом для оптимального выполнения общих задач, таких как быстрое отключение токов короткого замыкания и надежное распознавание перегрузок. При включении MPCB в электрическую цепь, нормальный номинальный ток, а также ток короткого замыкания или перегрузки протекает от входного к выходному выводу автоматического выключателя через электромагнитный и тепловой расцепители, соединенные последовательно с главными контактами. Очевидно, что изменение амплитуды и продолжительности токов будут вызывать разные индивидуальные реакции расцепителей.

а) внешний вид в разрезе	б) контакты

Рис. 9. Конструкция автоматического выключателя для защиты электродвигателей, где:

1 — дугогасительная камера (деионные пластины);

2 — неподвижный контакт;

3 — подвижный контакт;

4 — максимальный расцепитель тока мгновенного действия (электромагнитный расцепитель);

5 — вывод неподвижного контакта с винтовым зажимом;

6 — максимальный расцепитель тока с обратнозависимой выдержкой времени (тепловой расцепитель);

7 — дифференциальный ползунок механизма расцепления;

8 — поворотная рукоятка для ручного оперирования;

9 — изоляционный корпус;

10 — место установки блока вспомогательных контактов;

11 — механизм расцепления;

12 — изоляционное основание;

13 — плунжер электромагнитного расцепителя;

14 — переходная металлическая пластина

Анализ показывает, что главной особенностью максимального расцепителя является двухточечная структура размыкания главных контактов (для каждой фазы), как показано на рисунке 9, для уменьшения количества пропускаемой энергии при отключении тока короткого замыкания. Когда происходит короткое замыкание, контакты размыкаются за мгновение до того, как рабочий механизм сработает. Это связано с тем, что на подвижные контакты будут действовать электродинамические силы отталкивания, создаваемые между параллельными частями неподвижного проводника, и подвижные контакты будут дополнительно ускоряться магнитным ярмом переходной металлической пластиной, которая изображена в виде позиции 14 на рисунке 9. Кроме того, непосредственно над подвижным проводником расположена нажимная планка, на которую толкает плунжер катушки мгновенного отключения (электромагнитного расцепителя), для принудительного размыкания контактов при токах мгновенного отключения и предотвращения замыкания контактов при токе короткого замыкания. Кроме того, как показано на рисунке 10, переходная металлическая пластина, перемещающая дугу, увеличивает электромагнитную силу, направляющую дугу от контактов к дугогасительной пластине, и удлиняет дугу, так что ее можно немедленно погасить.

Рис. 10. Принцип отключения при коротком замыкании

На рисунках 11 и 12 представлены инфракрасные снимки гашения дуги и осциллограмма напряжения и тока при гашении дуги. Из рисунка 11 видно, что для гашения дуги 400 В / 50 кА требуется всего 2,5 мс. Напряжение дуги 600 В ( U _д ) выше напряжения питания, а ток короткого замыкания I _к.з. ограничен всего 12 кА (рисунок 12). Общее время отключения составляет 1/4 от времени отключения MCCB (автоматического выключателя в литом корпусе) (обычно 10 мс), что приводит к очень низкому значению пропускания короткого замыкания I ² t , составляющему 1/5 (рисунок 13), по сравнению с МССВ. Для предотвращения сваривания контактов важно уменьшить значение пропускания короткого замыкания I ² t . Например, на рисунке 14 главные контакты контактора серии SC-E сварятся, когда значение I ² t превысит 90 кА ² ∙ с. Если мы посмотрим на MPCB, то I ² t для MPCB на 32 А при 400 В/50 кА I ² t составляет около

80 кА ² ∙ с и меньше (при данных значениях контакты контактора не сварятся). Соответственно, указанные MPCB являются устройством защиты от короткого замыкания, соответствующим нормам «типа 2» ГОСТ Р 50030.4.1–2012 (МЭК 60947–4-1:2009), который предусматривает, что комбинация должна оставаться пригодной для использования после отключения токов, соответствующих рабочей отключающей способности. Это к тому же является прекрасным сочетанием при использовании в комбинации «MPCB + контактор» (т.н. «пускатели»).

Рис. 11. Инфракрасный снимок дуги

Рис. 12. Осциллограмма отключения при коротком замыкании

Рис. 13. Отключающая способность

Рис. 14. Номинальные значения сварки главных контактов контактора

Корпус MPCB представляет собой безвинтовой узел. Для MPCB на 32 А были выполнены анализы напряжения для пластмассовых деталей с защелкой под давлением газов, вызываемых во время отключения короткого замыкания. На рисунке 15 можем видеть наиболее напряженные места автоматического выключателя для управления и защиты электродвигателей (отмечено красным). Безвинтовая конструкция способна выдерживать повышенные напряжения и позволяет оптимизировать сборку.

Рис. 15. Расчет прочности пластмассовой защелки при ударе короткого замыкания

Вывод

В связи с вышесказанным преимуществами использования автоматических выключателей для защиты двигателей являются:

— многократность использования, т. е. по сравнению с предохранителями, которые требуют замены после срабатывания по току короткого замыкания, использование автоматических выключателей защиты электродвигателя не требует такой замены, и в случаях отключения токов, соответствующих рабочей отключающей способности, возможно дальнейшее использование автоматических выключателей и защита от сверхтоков;

— более короткое время возврата машины/оборудования после аварийного отключения, т. к. автоматический выключатель допускает повторное включение после срабатывания по короткому замыканию;

— чтобы подобрать предохранители на электрощитах для пуска двигателя, необходимо учитывать то, что время каждого нормируемого пуска может быть нормировано в перечислении: 5 с, 10 с, 15 с. Кроме того, при подборе компонентов для защиты оборудования с помощью предохранителей мы часто сталкиваемся с приложениями, требующими шести предохранителей, следовательно, потребности в дополнительных проводниках и установочных размерах увеличиваются. Используя автоматические выключатели для защиты электродвигателей, схема упрощается до одного компонента;

— автоматические выключатели позволяют напрямую подключать к ним кабели без необходимости использования клемм на концах соединительных кабелей, что упрощает монтаж;

— конструкции с автоматическими выключателями для защиты двигателя меньше, чем конструкции с защитой автоматическими выключателями в литом корпусе или предохранителями. Они позволяют монтировать на 35-мм DIN-рейку, избегая лишних затрат на крепление винтами и позволяя экономить в место в шкафу НКУ под монтаж.

Таким образом, на сегодняшний день в данной области отсутствуют конкурентоспособные разработки отечественных предприятий современных автоматических выключателей для управления и защиты электродвигателей. Потребность в них удовлетворяется исключительно поставками из-за рубежа. Для решения этой задачи требуется проведение дальнейших научных исследований и опытно-конструкторских разработок с целью создания импортозамещающей продукции в области электротехнического оборудования.

Литература:

1. Технический каталог «Автоматические выключатели для защиты электродвигателей TeSys GV». — Текст: электронный // Schneider Electric: [сайт]. — URL: https://download.schneider-electric.com/files?p_enDocType=Catalog&p_File_Name=TeSys+GV_web_rus_ED3.pdf&p_Doc_Ref=MKP-CAT-TESYSGV-20 (дата обращения: 14.06.2022).
2. Технический каталог «Оборудование для управления и защиты электродвигателей. Контакторы, реле перегрузки и автоматические выключатели». — Текст: электронный // ABB: [сайт]. — URL: https://search.abb.com/library/Download.aspx?DocumentID=9CND00000002089&LanguageCode=ru&DocumentPartId=&Action=Launch (дата обращения: 14.06.2022).
3. Технический каталог «Бескомпромиссные возможности для защиты и управления электродвигателями. Автоматические выключатели MPX3, контакторы CTX3, тепловые реле RTX3». — Текст: электронный // Legrand: [сайт]. — URL: https://legrand.ru/upload/iblock/da6/jt_15_0210_brochure_mpx3_dc291_.pdf (дата обращения: 14.06.2022).
4. Технический каталог «Автоматические выключатели в литом корпусе серии АП50Б». — Текст: электронный // КЭАЗ: [сайт]. — URL: https://keaz.ru/f/184/catalogue-ap50b-1.pdf?1612856662 (дата обращения: 14.06.2022).
5. Технический каталог «Пускатели ручные кнопочные серии ПРК». — Текст: электронный // КЭАЗ: [сайт]. — URL: https://keaz.ru/f/14754/prk.pdf?1612859426 (дата обращения: 14.06.2022).
6. Технический каталог «Автоматические выключатели защиты электродвигателей OptiStart MP. Контакторы электромагнитные OptiStart K. Реле перегрузки тепловые OptiStart TU». — Текст: электронный // КЭАЗ: [сайт]. — URL: https://keaz.ru/f/120/catalogue-32t-1.pdf?1629808652 (дата обращения: 14.06.2022).
7. Технический каталог «Пуск и защиты электродвигателей». — Текст: электронный // ЕАТОN: [сайт]. — URL: https://www.eaton.com/content/dam/eaton/products/industrialcontrols-drives-automation-sensors/RU_MotorProtection_Catalogue_2018_Web.pdf (дата обращения: 14.06.2022).
8. Технический каталог «Мастер-каталог низковольтной продукции». — Текст: электронный // CHiNT: [сайт]. — URL: https://chint.ru/upload/iblock/83a/master_catalog_chint_2021.pdf (дата обращения: 14.06.2022).
9. Технический каталог фирмы Allen-Bradley. — Текст: электронный // Allen-Bradley: [сайт]. — URL: https://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/ca/ec-ca100_-en-p.pdf (дата обращения: 14.06.2022).
10. Технический каталог фирмы IEK, URL: https://www.iek.ru/upload/pictures/katalogi/oborudovaniya-raspredeleniya-ehnergii.pdf. — Текст: электронный // IEK: [сайт]. — URL: https://www.iek.ru/upload/pictures/katalogi/oborudovaniya-raspredeleniya-ehnergii.pdf (дата обращения: 14.06.2022).
11. Технический каталог «Автоматические выключатели защиты двигателя серии ВА-430». — Текст: электронный // DEKraft: [сайт]. — URL: https://www.dek.ru/fileManager/fileManager/downloadFile?hash=c64888e573966880df9f4830f32b7fb7x1017 (дата обращения: 14.06.2022).
12. Исследование «Ускорение глобального внедрения энергоэффективных электродвигателей и автомобильных систем, 2017». — Текст: электронный // United for Efficiency: [сайт]. — URL: https://united4efficiency.org/wp-content/uploads/2017/09/U4E-MotorGuide-201709-Final.pdf (дата обращения: 14.06.2022).
13. Технический каталог Mitsubishi Electric. — Текст: электронный //: [сайт]. — URL: https://ru3a.mitsubishielectric.com/fa/ru/dl/6668/229550.pdf (дата обращения: 14.06.2022).