Защита электродвигателя: при какой неисправности срабатывают тепловое реле, предохранитель и MPCB?

Открывая щит сгоревшего двигателя насоса, мы часто видим одну и ту же картину: тепловое реле на месте, контакты целы, но регулятор уставки показывает 32 A. А на заводской табличке двигателя указано 21 A. Реле ни разу не сработало, поскольку даже при потреблении двигателем 28 A ток оставался ниже уставки. Обмотка несколько недель перегревалась, и в конце концов изоляция не выдержала. Щит выглядел «защищённым», но защита была настроена не по двигателю, а по типоразмеру контактора.

Главное в защите двигателя — не наличие устройства, а понимание того, какое устройство реагирует на какую неисправность, и правильная настройка каждого из них. Тепловое реле, предохранитель, автоматический выключатель защиты двигателя (MPCB), реле контроля фаз и встроенные в обмотку датчики не заменяют друг друга; каждый из них видит свою опасность.

Четыре разные ситуации, сжигающие двигатель

Прежде чем выстраивать цепочку защиты, необходимо разобраться, от чего вы защищаетесь. На практике за потерей двигателей обычно стоит одна из следующих четырёх ситуаций:

• Медленно развивающаяся перегрузка: изношено рабочее колесо насоса, перегружен конвейер или перетянут ремень. Ток превышает номинальное значение на 10–30 процентов, и это продолжается часами. Двигатель продолжает вращаться, а обмотка медленно стареет.
• Короткое замыкание и замыкание на землю: ослабшее соединение в клеммной коробке, пережатый кабель, пробитая обмотка. За миллисекунды ток возрастает в десятки раз по сравнению с номинальным.
• Обрыв фазы и асимметрия: сгорание предохранителя или обгорание контакта. Трёхфазный двигатель продолжает вращаться на двух фазах, потребляет повышенный ток по оставшимся фазам и нагревается.
• Потеря охлаждения: кожух вентилятора забит пылью, температура окружающей среды повысилась или двигатель длительно работает от преобразователя частоты на низкой частоте вращения. Ток выглядит нормальным, но температура обмотки превышает допустимый предел.

Последний пункт важен: ни одно устройство, работающее по принципу измерения тока, не может напрямую увидеть четвёртую ситуацию. Поэтому считать, что одно устройство обеспечивает «полную защиту», ошибочно.

Тепловое реле: откуда брать значение уставки?

Тепловое реле перегрузки оценивает ток вместе со временем. Оно допускает кратковременные превышения, например пусковой ток; чем дольше длится превышение, тем короче время срабатывания. Единственное, что делает это поведение полезным, — правильный ток уставки, и это значение берётся с заводской таблички двигателя, из строки тока, соответствующей напряжению, к которому двигатель фактически подключён. В сети 400 V у двигателя с табличкой 230/400 V за основу берётся меньший ток, соответствующий 400 V, а у двигателя с табличкой 400/690 V — ток в строке 400 V (треугольник). Для правильного чтения таблички можно обратиться к построчному разбору в статье о чтении заводской таблички двигателя IE3.

Класс отключения реле так же важен, как и уставка. В общей практике Class 10 достаточно для насосов и вентиляторов, пуск которых завершается за несколько секунд. Вентилятор с большой инерцией, мешалка, запускаемая загруженной, или дробилка завершают пуск дольше. Если для таких нагрузок не выбрать Class 20 или 30, реле срабатывает ещё до того, как двигатель наберёт обороты, и оператор чаще всего «решает» проблему, увеличивая уставку. В результате двигатель остаётся без защиты.

Предохранитель и MPCB: кто отвечает за короткое замыкание?

Основная задача предохранителя — защищать от короткого замыкания не двигатель, а кабель и щит. В цепях двигателей выбирают предохранители, выдерживающие пусковой ток: предохранитель класса aM предназначен только для защиты от короткого замыкания и обязательно требует дополнительного элемента защиты от перегрузки; класс gG — общего назначения, и в цепи двигателя его может потребоваться выбрать на ступень выше. Выбор предохранителя большего номинала, чем нужно, чтобы он не срабатывал при пуске, увеличивает время отключения при коротком замыкании и повышает риск повреждения кабеля и контактора.

MPCB объединяет тепловой и электромагнитный расцепители в одном корпусе. Он имеет регулируемый диапазон тока, и диапазон выбранного устройства должен охватывать номинальный ток двигателя в середине или вблизи середины. Для малых и средних мощностей это практичное решение с точки зрения места в щите и монтажа проводки. Отдельно следует проверить, соответствует ли отключающая способность при коротком замыкании ожидаемому току короткого замыкания в данной точке установки. Выбор диапазона и пошаговая логика настройки подробно описаны в статье о выборе и настройке MPCB.

Пример в цифрах: насосный двигатель 11 кВт, 4-полюсный

Рассмотрим 4-полюсный двигатель IE3 мощностью 11 кВт, работающий в сети 400 V. Для приблизительного расчёта номинального тока используется формула I = P / (√3 × U × cosφ × η). Для класса IE3 при этой мощности предельный КПД 4-полюсного двигателя составляет 91,4 %. Если принять коэффициент мощности равным типичному значению 0,84:

I ≈ 11 000 / (1,732 × 400 × 0,84 × 0,914) ≈ 20,7 A

Это лишь проверочный расчёт; для уставки всегда используется значение с заводской таблички. Предположим, что на табличке вы видите значение около 21 A:

• Прямой пуск (DOL): MPCB или тепловое реле выбирается из модели, диапазон которой свободно охватывает значение 21 A, и настраивается на 21 A. Со стороны короткого замыкания срабатывает предохранитель aM, выдерживающий пусковой ток, или электромагнитный расцепитель MPCB.
• Пуск звезда-треугольник: если тепловое реле подключено после главного контактора, в ветви обмотки, оно видит ток обмотки. Этот ток составляет 1/√3 линейного тока: 21 × 0,58 ≈ 12,2 A. Если реле настроить на 21 A, двигатель останется без защиты даже при перегрузке примерно на 70 процентов. Если реле установлено в линии питания, то есть перед контакторами, уставка снова выполняется по линейному току.

В схеме звезда-треугольник нельзя выполнять настройку, не проверив по схеме место установки реле. Этот способ можно применять только для двигателей, работающих в треугольнике при 400 V, то есть с обмоткой 400/690 V.

Обрыв фазы: даже если ток выглядит нормальным, двигатель работает с перегрузкой

Многие тепловые реле и MPCB, определяя разницу токов между фазами, при обрыве фазы срабатывают быстрее. Однако эта защита эффективна, когда двигатель нагружен и ток заметно возрастает. Двигатель, потерявший фазу при малой нагрузке, может оставаться ниже тока уставки, но несимметричный ток вызывает дополнительный нагрев ротора. В районах с частыми колебаниями напряжения, на стройплощадках с питанием от генератора или на насосных станциях, работающих без присмотра, целесообразно отдельное реле контроля фаз. Это реле контролирует порядок чередования фаз, пониженное/повышенное напряжение и асимметрию. Логика многофункциональной защиты, применяемой на больших двигателях, разобрана по номерам в статье о функциях защитного реле 46, 37, 49 и 48.

Взгляд внутрь обмотки: PTC и PT100

Забитый кожух вентилятора или длительная работа на низкой частоте вращения от преобразователя частоты нагревают обмотку без повышения тока. Встроенный в обмотку PTC-термистор при определённой температуре резко увеличивает своё сопротивление и через отдельное термисторное реле отключает контактор. PT100 же измеряет температуру непрерывно; можно задать две ступени — предварительную сигнализацию и отключение. В трёхфазных сериях HEM Motor датчики температуры обмотки PTC и PT100 предлагаются опционально, и их необходимо указать на этапе заказа. Двигатели, в которых датчик установлен, но не подключён к термисторному реле, встречаются на практике удивительно часто. Для выбора датчика и деталей подключения может быть полезна статья о контроле температуры обмотки двигателя.

Частые ошибки защиты в щитах

• Настройка теплового реле по току контактора или кабеля.
• Настройка на линейный ток в схеме звезда-треугольник без учёта места установки реле.
• Использование реле Class 10 для нагрузки с длительным пуском и последующее увеличение уставки.
• Сохранение без изменений уставки защиты старого двигателя при замене двигателя. При одинаковой мощности в кВт разное число полюсов означает разный ток.
• Оставление кабеля PTC неподключённым в клеммной коробке.
• Увеличение предохранителя на две ступени из-за срабатывания при пуске.

Продумывайте цепочку защиты на этапе заказа

Правильная защита — это не аксессуар, добавляемый потом, а система, планируемая вместе с двигателем. Если известны номинальный ток двигателя, способ пуска, время пуска нагрузки и условия среды, выбор реле, предохранителя и датчика становится ясен с самого начала. Контрольный список оборудования, которое следует запросить вместе с двигателем, приведён в статье о средствах защиты. Если вам нужен трёхфазный электродвигатель с датчиком PTC или PT100, вы можете связаться с нашей технической командой, указав данные вашего применения.

Часто задаваемые вопросы

Правильно ли настраивать тепловое реле немного выше тока, указанного на заводской табличке двигателя?

В общей практике уставка выполняется равной номинальному току на табличке. Тепловое реле и так допускает кратковременные превышения. Если двигатель постоянно превышает ток по табличке, проблема не в уставке, а в нагрузке или выборе двигателя; увеличение уставки лишь скрывает эту проблему.

Нужно ли тепловое реле, если есть предохранитель?

Да. Предохранитель не выбирается так, чтобы реагировать на перегрузку в 20–30 процентов, длящуюся часами; поскольку он не должен срабатывать от пускового тока, его номинал значительно выше тока двигателя. Медленно развивающуюся перегрузку отключает тепловое реле или тепловой расцепитель MPCB.

На сколько ампер настраивается тепловое реле в схеме звезда-треугольник?

Если реле подключено в ветвь обмотки, то есть на выход главного контактора, уставка должна составлять примерно 0,58 от линейного тока по табличке. Если реле подключено перед контакторами, в линию питания, оно настраивается на линейный ток. Прежде чем принимать решение, следует проверить место реле по схеме щита.

Нужно ли двигателю с датчиком PTC дополнительно тепловое реле?

Да, они контролируют разные вещи. PTC измеряет температуру обмотки и фиксирует потерю охлаждения; тепловое реле контролирует ток и может быстрее реагировать на быстро развивающиеся ситуации, например на заклинивание ротора. При совместном использовании две защиты закрывают «слепые зоны» друг друга.

Для настройки теплового реле и автоматического выключателя нужен номинальный ток двигателя. Значения тока и пускового тока моделей HEM Motor при 380/400/415 V приведены в Таблице токов электродвигателей.