Системы защиты двигателей в современных АСУТП

Асинхронные двигатели составляют львиную долю парка двигателей в системах жилищно-коммунального хозяйства. Почти все насосы, вентиляторы, компрессоры реализованы именно на базе таких двигателей. Их популярность обусловлена высочайшим среди всех типов двигателей уровнем надежности и компактностью. Но и они порой выходят из строя.

Причины поломки асинхронных двигателей

Рассмотрим наиболее распространенные поломки асинхронных двигателей:

1. Обрыв фазы в цепи питания двигателя. В этом случае электродвигатель не запускается. Причиной может быть обрыв фазы, чаще всего – в клеммной коробке двигателя.
2. Межвитковое замыкание. Это замыкание между витками одной катушки или секции обмотки. Чаще всего возникает из-за перегрева обмотки или некачественной изоляции.
3. Обрыв обмотки. При возникновении этой неисправности во время работы двигателя он быстро теряет мощность и перегревается.
4. Неисправность крыльчатки обдува. Деформация или неправильная установка крыльчатки приводит к перегреву двигателя, хотя он и может продолжать работать.
5. Дисбаланс ротора. Возникает из-за износа рабочих узлов двигателя, изменения посадки дисков или ослабления креплений деталей ротора.
6. Неравномерный зазор между статором и ротором. Это вызывает одностороннее притяжение ротора к статору, что создает повышенную нагрузку на вал и подшипники.

Решения для защиты асинхронных двигателей

Неисправность асинхронного двигателя, какой бы редкой она ни была, необходимо своевременно диагностировать и передать информацию о ней на верхний уровень. Самый простой вариант решения – использование защитных реле двигателя. Для шкафа управления двигателем оптимальным вариантом будет набор из теплового реле и реле напряжения или контроля фаз.

Реле контроля фаз (РКФ) — это устройство, которое защищает асинхронные двигатели от неполадок, связанных с напряжением, током и частотой в подключенной нагрузке.

Реле контроля фаз работает путем измерения параметров электрической сети, таких как напряжение, ток и частота. Оно сравнивает эти параметры с заданными настройками и, если они выходят за допустимые пределы, отключает нагрузку, чтобы предотвратить повреждение оборудования или опасные ситуации.

РКФ обеспечивает защиту двигателя по контролю напряжения, тока, частоты, а также по контролю порядка чередования фаз. РКФ обнаруживает обрыв фазы, защищает двигатели от перегрева, короткого замыкания и перенапряжения.

Реле напряжения и тока — это устройство, которое автоматически отключает подключенную нагрузку (например, двигатель, ТЭН, трансформатор или лампу) при выходе напряжения или тока за установленные пределы. Данное реле защищает при пониженном и повышенном напряжении, перегрузке по току; регулирует пороги срабатывания по низкому и высокому напряжению и току, а также времени срабатывания и восстановления. После отключения реле автоматически восстанавливается.

Тепловое реле для электродвигателя—защитное устройство, которое предохраняет двигатель от перегрева. Оно реагирует на возросший ток и, в зависимости от его величины, через какое-то время разрывает цепь питания, тем самым сохраняя обмотки двигателя целыми. Принцип действия тепловых реле основан на изгибании биметаллического элемента при нагреве. Биметаллический элемент выполнен из двух металлических пластин с разными коэффициентами линейного расширения. При нагреве одна из пластин удлиняется в большей степени, а поскольку пластины скреплены, происходит изгиб всего элемента.

Типы реле и их защитное воздействие

Реле защиты двигателей необходимы для предотвращения повреждения оборудования, обеспечения надёжности и безопасности электрических систем, а также для снижения перебоев в работе.

Тепловое реле защищает двигатель от перегрева. Самыми распространенными местами перегрева являются обмотка статора, ротор, подшипники, точки электрического подключения.

Реле напряжения защищает двигатель от перегрузки. Реле отслеживает ток и при превышении заданных пределов отключает питание, предотвращая поломку двигателя и возможные негативные последствия.

Реле контроля фаз дополнительно к контролю уровней напряжения отслеживает дисбаланс фаз, так как это приводит к перегреву двигателя и механическим нагрузкам.

Обычно защитные реле работают по принципу электромагнитных реле, быстро изолируя двигатель и тем самым защищая его. Примером таких реле являются реле MEYERTEC PCR (старт продаж запланирован на 3 квартал 2025 года), позволяющие защищать асинхронные двигатели от перегруза и перекоса фаз как в трехпроводной схеме подключения, так и в четырехпроводной (с нейтралью).

Реле контроля фаз MEYERTEC PCR

Микропроцессорные реле защиты – следующий этап развития систем защиты двигателей. В отличие от аналоговых реле, которые срабатывают при достижении заданного порога, микропроцессорные приборы непрерывно анализируют электрические параметры и профили нагрузки, обеспечивая защиту двигателя в режиме реального времени на основе сложных вычислений. И, конечно же, информируют о состоянии двигателя систему верхнего уровня (ПЛК или SCADA). Они используются для ответственных приводов и энергоэффективных систем. В последнее время именно микропроцессорные реле получают всё большую популярность, т.к. их применение позволяет вести мониторинг состояния двигателей. То есть не только предотвращать поломку двигателя, но и запускать аварийную программу или, как минимум, логировать события перед аварией.

Хорошим примером такого рода приборов является устройство защиты двигателя ОВЕН УЗД1.

УЗД1 — это система защиты и управления двигателем, которая обеспечивает мгновенный мониторинг всех его параметров. Прибор позволяет производить пуск, реверс и останов электродвигателя путем управления внешними контакторами или другими устройствами для пуска двигателя.

Особенностями данного прибора является быстрый ввод в эксплуатацию за счет удобной настройки в Owen Configurator через современные интерфейсы связи (RS/ETH/USB) и передача текущих параметров двигателя. Это позволяет предупредить аварийное состояние двигателя и его выход из строя. Помимо защитных функций УЗД1 позволяет реализовать запуск двигателя в режиме двухступенчатого пуска (схема «звезда-треугольник» и схема с добавочными резисторами). В качестве датчиков прибор использует датчик температуры и стандартные трансформаторы тока (номинальный ток вторичной обмотки 1 А или 5 А).

Устройство защиты двигателя УЗД1

Несколько проще обстоит дело с построением защиты двигателя в системах, где им управляет частотный преобразователь. Он контролирует состояние двигателя и сети, поэтому без дополнительных устройств может не только осуществлять управление частотой вращения двигателя, но и обеспечивать его полную защиту по току, напряжению и температуре.

Такой функционал поддерживается, например, в новых частотных преобразователях под брендом MEYERTEC и ОВЕН.

Частотный преобразователь MEYERTEC VFD1

Помимо защитных функций частотный преобразователь выполняет функцию передачи данных на верхний уровень с помощью выходов или по интерфейсу с помощью специального регистра аварий (чаще называется – слово состояния). Чаще всего такой регистр представляет из себя битовую маску, каждый бит которой отвечает за определенный вид аварии.

Слово состояния ПЧ MEYERTEC (пример)

Для самых крупных приводов и ответственных применений могут быть использованы специальные системы контроля вибрации, которые дополнительно к данным с частотного преобразователя позволяют оценить состояние двигателя и составить прогноз его работоспособности. Подобные системы предиктивной аналитики в последнее время набирают все большую популярность и получают распространение не только в энергетике, но и в станках и даже в ЖКХ.

Выбор системы защиты двигателя зависит от бюджета и сложности задачи, а также от необходимости балансировать между стоимостью, функциональностью и требованиями к интеграции в общую систему управления предприятием. Для простых систем управления, где важна надежность, оптимальным решением остаются аналоговые реле перегрева и перекоса фаз. В ответственных применениях, требующих расширенного функционала и гибкости, предпочтительны микропроцессорные реле защиты и частотные преобразователи. В условиях Индустрии 4.0 необходимы интегрированные системы защиты (АСУТП, MES, ERP), обеспечивающие мониторинг в реальном времени и предиктивную аналитику.