12. DOBÓR ZABEZPECZEŃ NADPRĄDOWYCH SLNKÓW NSKEGO NAPĘCA 12.1. Cel i zakres ćwiczenia Celem ćwiczenia jest poznanie zasad doboru zabezpieczeń przeciążeniowych i zwarciowych silników niskiego napięcia. 12.2.1. Wyjaśnienia ogólne. 12.2. Wiadomości podstawowe Zabezpieczenia nadprądowe silników i przewodów zasilających silnik powinny chronić je zarówno przed zwarciem, jak i przeciążeniem. Jako zabezpieczenie zwarciowe, chroniące przed cieplnymi skutkami prądów zwarciowych stosuje się powszechnie bezpieczniki topikowe lub wyłączniki z wyzwalaczami elektromagnetycznymi. Bezpieczniki topikowe mogą przy spełnieniu określonych warunków stanowić także zabezpieczenie przeciążeniowe przewodów zasilających. Zabezpieczenia zwarciowe należy umieszczać w każdej fazie, jak najbliżej źródła zasilania, gdyż tworzą one jednocześnie zabezpieczenie zwarciowe przewodów zasilających silnik. Jako zabezpieczenie przeciążeniowe chroniące przed przekroczeniem temperatur dopuszczalnych długotrwale silników i przewodów stosuje się przeważnie wyłączniki z wyzwalaczami termobimetalowymi lub styczniki z przekaźnikami termobimetalowymi. Rzadziej stosuje się czujniki temperaturowe, umieszczone bezpośrednio w uzwojeniu silnika. Zabezpieczenia przeciążeniowe można umieszczać w dowolnym miejscu między silnikiem a źródłem zasilania. W sieci trójfazowej z uziemionym punktem neutralnym zabezpieczenie przeciążeniowe umieszcza się w każdej fazie, a w sieci z izolowanym punktem neutralnym w dwóch fazach. 12.2.2. Zabezpieczenie zwarciowe silników. Bezpieczniki stanowiące zabezpieczenie zwarciowe silnika, powinny być tak dobrane, aby nie przepalały się i nie powodowały wyłączeń silnika podczas zwykłej pracy silnika, a więc również i podczas rozruchu. Jednocześnie prąd znamionowy wkładki topikowej powinien być jak najmniejszy, aby czas wyłączenia prądów zwarciowych był jak najkrótszy. Przy doborze prądów znamionowych wkładek topikowych należy uwzględnić typ wkładek (am, gl, i in.) oraz czas trwania
rozruchu, zależny od momentu hamującego podczas rozruchu. Jeżeli znane są charakterystyki czasowo-prądowe wkładek topikowych oraz przebieg prądu rozruchowego silnika to należy dobrać wkładkę o najmniejszej wartości prądu znamionowego, której charakterystyka nie przecina się z charakterystyką czasowoprądową silnika podczas rozruchu (rys.12.1). Rys. 12.1. Zasada doboru prądu znamionowego wkładki bezpiecznikowej, stanowiącej zabezpieczenie zwarciowe silnika, przez porównanie przebiegu charakterystyk czasowo-prądowych bezpieczników ( nb ) oraz prądów rozruchowych ( r ) przy różnych rodzajach rozruchu: nm prąd znamionowy silnika, rm maksymalny prąd rozruchowy silnika. W praktyce zastępuje się rzeczywisty przebieg prądu rozruchowego przebiegiem zastępczym (rys.12.2), w którym zakłada się, że silnik będzie pobierał w trakcie rozruchu prąd o niezmiennej wartości lr równej wartości skutecznej maksymalnego prądu rozruchowego przez zastępczy czas rozruchu t zr wyznaczony z zależności: t zr = t r 2 rm 0 2 rt ( t)dt (12.1) w której: rm - największa wartość prądu rozruchowego, rt - skuteczna wartość (zmienna w czasie) prądu rozruchowego, t r - rzeczywisty czas trwania rozruchu. Zastępcze czasy trwania rozruchu zawierają się zwykle w przedziale 0,6 0,7 rzeczywistego czasu rozruchu.
t 1 t zr 2 nb2 nb1 0 nm rm Rys.12.2. Zasada doboru wkładki bezpiecznikowej z wykorzystaniem zastępczej charakterystyki rozruchu silnika: 1 charakterystyka prądu rozruchowego silnika, 2 zastępcza charakterystyka rozruchu, t zr zastępczy czas trwania rozruchu. Zwykle jednak nie dysponuje się charakterystykami rozruchowymi silnika i w takim wypadku wartości prądów znamionowych wkładek bezpiecznikowych można dobrać w sposób uproszczony korzystając z następujących zależności: nb nm (12.2) rm k r nm nb = (12.3) α α w których: nm prąd znamionowy silnika, rm największa wartość prądu rozruchowego silnika, k r = rm / nm współczynnik rozruchu silnika, α współczynnik zależny od typu wkładki, rodzaju i częstości rozruchów (tab.12.1). W przypadku zastosowania wyłącznika jako zabezpieczenia zwarciowego silnika, prąd działania wyzwalaczy elektromagnetycznych wm powinien być większy od największych chwilowych wartości prądów rozruchowych silnika. W praktyce przyjmuje się zasadę, że powinien być spełniony warunek: > 1, 2 (12.4) wm rm
W przypadku kiedy wyłącznik nie posiada możliwości nastawiania prądu działania wyzwalaczy elektromagnetycznych (wyłączniki instalacyjne), to w celu spełnienia warunku (12.4) należy generalnie zastosować wyłącznik o charakterystyce czasowoprądowej wyzwalaczy przetężeniowych typu D. Prąd działania wyzwalaczy bezzwłocznych tego typu wyłącznika wynosi co najmniej 10-krotną wartość prądu wyzwalaczy przeciążeniowych. Uwzględniając fakt, że współczynniki rozruchu silników przy rozruchu bezpośrednim zawierają się w przedziale 4 8, nie ma możliwości przypadkowego działania wyłącznika w trakcie normalnej eksploatacji silnika. W pewnych sytuacjach (np. rozruch lekki, rozruch przez przełącznik gwiazdatrójkąt) możliwe jest zastosowanie wyłącznika o charakterystyce typu C, o prądach działania wyzwalaczy bezzwłocznych równych 5 10 krotnej wartości prądów znamionowych wyzwalaczy przeciążeniowych. Tab.12.1. Wartości współczynnika α przy różnych warunkach rozruchowych. Rodzaj rozruchu Lekki Średni Ciężki Moment hamujący M h silnika w czasie rozruchu M h 0,5M n 0,5M n < M h M n M h >M n Wkładka o działaniu szybkim (g) np. gl zwłocznym (g) np. am Częstość rozruchu Częstość rozruchu kilka na dobę częsty kilka na dobę częsty 2,5 2,0 3,0 2,5 2,0 1,8 2,5 2,0 1,6 1,5 1,6 1,5 M. n moment znamionowy silnika Rozruch kilka razy na dobę odpowiada 3 5 rozruchom, rozruch częsty powyżej tej wartości. 12.2.3. Zabezpieczenie przeciążeniowe silników. Silnik będzie prawidłowo zabezpieczony przed przeciążeniem jeżeli charakterystyka czasowo-prądowa zabezpieczenia przeciążeniowego będzie leżała poniżej charakterystyki cieplnej uzwojeń silnika (rys.12.3). Bezpośredni dobór zabezpieczenia przez porównanie charakterystyk jest praktycznie niemożliwy, ponieważ najczęściej przebiegi cieplnych charakterystyk czasowo-prądowych silników nie są znane. Warunek ten jest jednak spełniony, gdy prąd nastawienia zabezpieczeń przeciążeniowych nt jest określony zależnością: w której: nm prąd znamionowy silnika. nt ( 1,0 1, ) nm = 1 (12.5)
Zadziałanie zabezpieczenia przy takim nastawieniu nastąpi w praktyce przy trwałym obciążeniu prądem (1,1 1,15) nm. Pozwala to na wyzyskanie pełnej mocy silnika przy małym prawdopodobieństwie jego uszkodzenia. Rys.12.3. Różne sposoby zabezpieczenia przeciążeniowego silników: a) układy połączeń; b) przebiegi charakterystyk czasowo-prądowych prawidłowo dobranych zabezpieczeń (w układzie 1, 2, 3) i silnika (krzywa T c ) oraz przebieg prądu rozruchowego r; WT, PT wyzwalacz, przekaźnik przeciążeniowy, F bezpiecznik, nt prąd nastawienia wyzwalaczy, przekaźników przeciążeniowych, wm prąd działania wyzwalaczy zwarciowych, nw prąd wyłączalny wyłącznika, nm prąd znamionowy silnika, k prąd zwarciowy [12.1] W przypadku silników, które są podłączone do sieci za pośrednictwem przełącznika gwiazda-trójkąt zabezpieczenia przeciążeniowe powinny być
zainstalowane w przewodach fazowych będących przedłużeniem uzwojeń i nastawione na prąd wyznaczony z zależności: nm nt = (12.6) 3 Jeżeli zabezpieczenia przeciążeniowe zostaną umieszczone w przewodach zasilających i nastawione na prąd znamionowy silnika, to zabezpieczą one silnik tylko przy uzwojeniach połączonych w trójkąt. Po przełączeniu uzwojeń w gwiazdę, silnik nie będzie chroniony przed przeciążeniem, ponieważ zabezpieczenia przeciążeniowe będą działały dopiero przy prądach 3 razy większych od prądu znamionowego silnika. Przy doborze zabezpieczenia przeciążeniowego należy zwrócić uwagę na to, aby wytrzymałość zwarciowa zabezpieczenia była dostateczna i zabezpieczenie nie działało podczas rozruchu silnika. Wytrzymałość zwarciowa zabezpieczenia przeciążeniowego, jest określona w katalogach wytwórcy lub na tabliczce znamionowej przekaźnika, największą wartością prądu znamionowego wkładki topikowej, pełniącej rolę zabezpieczenia zwarciowego. Jeżeli prąd znamionowy wybranej wkładki topikowej jest większy niż odpowiadający danemu zabezpieczeniu przeciążeniowemu, to należy dobrać zabezpieczenie przeciążeniowe o większej wytrzymałości zwarciowej i o zakresie nastawienia obejmującym prąd znamionowy silnika. 12.2.4. Zabezpieczenia przetężeniowe przewodów zasilających silnik. Zabezpieczenia przeciążeniowe odbiornika (silnika) zabezpieczą jednocześnie przewody zasilające przed przeciążeniem jeżeli będą spełnione następujące warunki: nm (12.7) n z 2 1, 45 z (12.8) w których: nm prąd znamionowy silnika, n prąd znamionowy lub prąd nastawienia zabezpieczenia przeciążeniowego, z obciążalność prądowa długotrwała zabezpieczonych przewodów, 2 prąd zadziałania zabezpieczenia przeciążeniowego. Wartość prądu zadziałania zabezpieczenia przeciążeniowego nie jest jednoznacznie zdefiniowana. W przypadku bezpieczników przyjmuje się wartości prądów probierczych górnych bezpiecznika (patrz tab.4.7 [12.1]). Spełnienie warunków (12.7) i (12.8) dla
bezpiecznika wymaga w większości przypadków doboru przewodów o większym przekroju w celu zwiększenia obciążalności prądowej długotrwałej. Działanie takie jest ekonomicznie nieuzasadnione bo prowadzi do niepełnego wykorzystania obciążalności prądowej przewodów w warunkach obciążeń roboczych. Zastosowanie łączników samoczynnych z wyzwalaczami (przekaźnikami) przeciążeniowymi pozwala na o wiele skuteczniejsze zabezpieczenie przewodów i wykorzystanie ich obciążalności prądowej. Prąd zadziałania 2 nie przekracza w takim przypadku 1,45 krotności prądu nastawy przekaźnika (wyzwalacza) przeciążeniowego. Zabezpieczenie przewodów zasilających przed skutkami zwarć będzie skuteczne jeżeli czas wyłączenia zwarcia przez urządzenie zabezpieczające (bezpiecznik lub wyłącznik samoczynny z wyzwalaczem elektromagnetycznym) nie przekroczy wartości granicznej dopuszczalnej t km wyznaczonej z zależności: 2 s t = km k (12.9) k w której: k współczynnik zależny od materiału żyły i izolacji przewodów (tab. 8.2), s przekrój przewodu [mm 2 ], k spodziewany prąd zwarciowy [A]. Tab.12.2. Wartości współczynnika k dla różnych rodzajów przewodów. Rodzaj przewodu Przewody o izolacji z gumy, butylenu lub polietylenu usieciowanego: - z żyłami miedzianymi - z żyłami aluminiowymi Przewody o izolacji z polwinitu (PVC): - z żyłami miedzianymi - z żyłami aluminiowymi Wartość współczynnika k [A s 1/2 /mm 2 ] 135 87 115 74 12.3. Niezbędne przygotowanie studenta Studentów obowiązuje znajomość budowy, podstawowych parametrów i charakterystyk bezpieczników oraz wyzwalaczy przeciążeniowych, zasad zabezpieczania przewodów i odbiorników elektroenergetycznych niskiego napięcia bezpiecznikami i łącznikami samoczynnymi (rozdz. 4.3, 4.5, 5.6 oraz 7 pracy [12.1]).
12.4. Opis stanowiska laboratoryjnego. Pomiary prądów rozruchowych silnika przeprowadza się na stanowisku, którego układ zasilania pokazano na rys. 12.4. Dla większej przejrzystości układu przedstawiono tylko obwody główne z pominięciem obwodów sterowniczych i pomiarowych. Sterownie silnika może się odbywać za pomocą stycznika, rozłącznika instalacyjnego FR 103 lub wyłącznika silnikowego M 250. Charakterystyki prądów rozruchowych wyznacza się są za pomocą oscyloskopu cyfrowego z pamięcią. Pomiar prądów obciążenia odbywa się za pomocą amperomierza analogowego, włączonego w jedną z faz zasilających. Hamownia mechaniczna umożliwia zmianę charakteru rozruchu. Rys. 12.4. Schemat zasilania stanowiska do badania prądu rozruchowego silnika.
12.5. Program ćwiczenia 1. Zapoznać się z układem pomiarowym oraz na podstawie katalogów urządzeń z parametrami, charakterystykami i przeznaczeniem zastosowanych łączników i zabezpieczeń. 2. Na podstawie parametrów znamionowych silnika dobrać wstępnie zabezpieczenia zwarciowe i przeciążeniowe silnika. 3. Dla zadanych przez prowadzącego warunków obciążenia silnika wykonać pomiary największego prądu rozruchowego, prądu obciążenia silnika oraz czasów trwania rozruchu. Wyznaczyć wartości zastępczych czasów rozruchu i dobrać wkładki bezpiecznikowe z wykorzystaniem charakterystyk czasowo-prądowych. 12.6. Opracowanie wyników badań Wyniki pomiarów i obliczeń zestawić w tabelach. Na podstawie uzyskanych rezultatów ocenić dokładność stosowanych metod doboru zabezpieczeń zwarciowych i przeciążeniowych. Przedstawić wnioski dotyczące warunków współpracy i skuteczności badanych zabezpieczeń. Rys.12.5. Charakterystyki czasowo-prądowe pasmowe bezpieczników klasy gl, cz.1. [12.1]
Rys. 12.6. Charakterystyki czasowo-prądowe pasmowe bezpieczników klasy gl, cz. 2 [1] 12.7. Literatura [12.1] Markiewicz H. nstalacje elektryczne. Wyd.4 uakt., WNT, Warszawa 2002.