Выбор оборудования для защиты и управления насосами и двигателями
Электронные реле защиты насосов и двигателей обеспечивают недорогую защиту оборудования от повреждений, вызванных электрическими и/или механическими проблемами. Однако эти реле часто не устанавливаются из соображений экономии денег или из-за отсутствия понимания того, как правильно применять широкий спектр доступных средств защиты двигателей и насосов. Имея немного знаний, можно выбрать правильную защиту двигателя/насоса.
Достижения в технологии микроконтроллеров позволили многим производителям производить недорогие интеллектуальные контроллеры, которые конкурируют со старомодными релейными логическими панелями и программируемыми логическими контроллерами (ПЛК). Набирают популярность программируемые релейные модули, контроллеры для конкретных приложений и заказные OEM-платы управления. Эти продукты могут помочь сборщикам панелей и другим лицам сократить расходы, расширить функциональные возможности, упростить проводку и поиск и устранение неисправностей, а также повысить удобство использования.
Защитные реле, как правило, делятся на две основные категории: устройства контроля напряжения и устройства контроля нагрузки. Мониторы напряжения обеспечивают защиту, когда источник питания недостаточен для безопасной работы двигателя. В трехфазных приложениях монитор напряжения остановит насос при некоторых или всех следующих условиях в зависимости от модели: пониженное напряжение, повышенное напряжение, асимметрия напряжения, однофазное и обратное чередование фаз. Однофазные мониторы напряжения обеспечивают защиту от перенапряжения и пониженного напряжения. Мониторы нагрузки выключают насос в случае недогрузки, перегрузки, асимметрии тока, обратной фазы и/или одной фазы. Кроме того, доступны такие продукты, как SymCom Model 777, которые сочетают в себе функции контроля напряжения и контроля нагрузки.
Только мониторы напряжения могут обеспечить базовый уровень защиты от электрических неисправностей, которые могут возникнуть в основном источнике питания или генераторе. Однако эти продукты не обеспечивают защиты от сбоев, которые могут произойти в нагрузке или на стороне нагрузки монитора. Как правило, во всех насосных установках должен быть установлен какой-либо монитор нагрузки.
Реле защиты от недогрузки имеют решающее значение во многих приложениях. Если существует вероятность того, что колодец или резервуар могут работать всухую, или если поток может быть ограничен (глухой напор), необходимо установить реле минимальной нагрузки. Если реле минимальной нагрузки не используются, погружные насосы могут перегреться, подшипники могут быть повреждены и/или уплотнения насоса могут быть разрушены.
Как выбрать правильный монитор нагрузки / защитное реле для работы? Есть много производителей с большим разнообразием продуктов с различными наборами функций. Доступны три основных типа мониторов нагрузки. Это реле тока, мощности и коэффициента мощности. Как правило, реле тока подходят для приложений с более высокой мощностью, а реле коэффициента мощности подходят для приложений с низкой мощностью. Силовые реле можно одинаково использовать во всех приложениях.
Ток в насосах меньшего размера, особенно в насосах с дробной мощностью, очень мало меняется в зависимости от нагрузки, но коэффициент мощности резко меняется. И наоборот, в более крупных двигателях коэффициент мощности остается неизменным, а ток значительно изменяется с нагрузкой. Поскольку мониторы мощности включают в свои измерения как коэффициент мощности, так и ток, их можно использовать в любых приложениях. Часто мониторы мощности используются в приложениях с высокой мощностью, когда двигатель обычно работает с небольшой нагрузкой. Использование монитора мощности в этих случаях максимизирует чувствительность к условиям недогрузки без увеличения количества ложных срабатываний. Другие специальные насосы и системы, такие как насосы magdrive, насосы для банок и низкоскоростные смесители, используемые для перемешивания вязких веществ перед перекачиванием, также демонстрируют небольшие изменения тока, что требует использования мониторов мощности для обеспечения защиты со стороны нагрузки.
Некоторые продукты объединяют несколько таймеров, коммуникационных портов и распределенных вводов-выводов с основными реле недогрузки, перегрузки и фазовыми реле. Это позволяет настроить один продукт для широкого спектра применений и конкретных требований. Тем не менее, продукты остаются недорогими из-за высокого уровня интеграции, которую можно получить в одном пакете.
Как правило, можно стандартизировать использование мониторов мощности во всех приложениях. Доступны недорогие мониторы мощности как для однофазных, так и для трехфазных приложений. Использование мониторов мощности позволяет хранить меньшее количество деталей, поскольку их можно использовать в самых разных приложениях. Однако мониторы тока и коэффициента мощности могут иметь преимущество в стоимости по сравнению с мониторами мощности в расчете на единицу продукции.
Недавние достижения и снижение стоимости электронных компонентов сделали реальностью экономичные, очень надежные, многофункциональные защитные устройства. Доступны недорогие комбинированные устройства, которые сочетают в себе функции мониторов напряжения и мониторов нагрузки. Эти устройства часто имеют коммуникационные возможности, а также могут предлагать дополнительные удаленные дисплеи, распределенный ввод-вывод и специальные функции управления. Доступны различные протоколы связи, такие как Modbus™, DeviceNet™, CANopen и Profibus.
Встроенные коммуникационные порты позволяют интегрировать эти защитные реле в системы автоматизации предприятия или системы SCADA. Это дает системному оператору гораздо более высокий уровень контроля, чем при использовании более простых устройств. Коммуникационные возможности позволяют периодически регистрировать системные параметры и осуществлять удаленный сброс или управление конкретными насосами или двигателями.
Несмотря на то, что ПЛК (программируемые логические контроллеры) очень экономичны, их часто заменяют программируемыми релейными модулями, специализированными контроллерами или пользовательскими платами управления. Программирование и обслуживание программного обеспечения ПЛК может быть трудным и/или дорогостоящим испытанием для некоторых людей и компаний. Готовые контроллеры для конкретных приложений или изготовленные по индивидуальному заказу платы управления могут снизить затраты на оборудование и устранить трудности, связанные с проектированием, созданием и обслуживанием систем ПЛК.
Программируемые релейные модули позволяют отказаться от более дорогих ПЛК, таймеров и других компонентов. Во многих случаях лучшим решением является использование контроллера для конкретного приложения или пользовательской платы управления. Различные производители выпускают специальные контроллеры для следующих приложений: станции перекачки сточных вод, перекачка/откачка резервуаров, очистка грунтовых вод (извлечение загрязняющих веществ), добыча метана из угольных пластов или угольных шахт, добыча нефти и другие. Для OEM-производителей с большими объемами заказные платы управления могут быть наиболее экономичным способом управления приложениями. Пользовательские платы управления могут быть спроектированы по индивидуальному заказу с использованием только необходимых функций и могут быть предварительно сконфигурированы для минимизации затрат на производство и сборку. Когда создается специальная доска, клиент знает, что он получит все необходимые ему функции и не будет платить за то, что он не может использовать.
Если вы еще этого не сделали, стоит потратить время на изучение недавно выпущенного оборудования для защиты и управления насосами, которое стало доступным. Многие из этих новых продуктов имеют повышенный уровень производительности и функциональности по гораздо более низкой цене, чем они были доступны ранее.
Что пытается сказать реле защиты двигателя насоса
Изображение 1. Интеллектуальное реле защиты двигателя, которое может обмениваться данными со смартфоном техника через соединение Bluetooth. Соединение Bluetooth не только позволяет пользователю просматривать важную информацию о неисправностях, но также позволяет проводить диагностику оборудования, находящегося под напряжением, в режиме реального времени, при этом пользователь находится в безопасном месте за пределами электрического шкафа. Все изображения предоставлены Littelfuse.
Все больше и больше двигателей насосов защищены интеллектуальными реле защиты двигателя. Эти микропроцессорные устройства обещают значительно ускорить устранение неполадок и минимизировать время простоя. Реле защиты двигателей могут обнаруживать проблемы с двигателями насосов, насосами, проводкой, органами управления или системами питания. Они не только предотвратят повреждение насосного оборудования, но и дадут четкое представление о характере проблемы. Эти реле могут отображать информацию на встроенном экране или предоставлять эту информацию о неисправности специалисту по ремонту через Интернет вещей, локальную сеть или даже беспроводное соединение со смартфоном. Но что означают разные коды неисправностей? И зная, что означает код ошибки, что должен сделать технический специалист, чтобы решить проблему?
В этой статье объясняется, что измеряет интеллектуальное реле защиты электродвигателя и что означают его различные выходы и аварийные сигналы в контексте реального оборудования.
Заклинивание, по сути, является предельной перегрузкой. По сути, что-то остановило двигатель от вращения, и он быстро перегреется и выйдет из строя, если его немедленно не отключить от питания. Реле защиты двигателя быстро сработает, чтобы предотвратить эти опасные условия. Реле также должно быть достаточно интеллектуальным, чтобы знать, когда двигатель нормально запускается, чтобы временно отключить защиту от заедания. Для разгона более крупных двигателей может потребоваться несколько секунд, и эти состояния необходимо четко отличать от состояния заклинивания.
Тепловая перегрузка
Термическая перегрузка представляет собой физический перегрев двигателя. Это можно обнаружить с помощью датчиков температуры, встроенных в обмотки двигателя. Эти датчики обычно представляют собой термисторы с положительным температурным коэффициентом или резистивные датчики температуры. Эти устройства выполняют прямые тепловые измерения двигателя и обеспечивают дополнительную защиту, которую нельзя определить только на основе электрических измерений. Проблемы, которые могут быть обнаружены термодатчиками, включают высокие температуры окружающей среды, потерю охлаждения двигателя из-за поврежденных вентиляторов или мусора или слишком частый запуск двигателя. Кроме того, эти датчики позволяют контролировать двигатели, чтобы обеспечить достаточное время охлаждения перед повторным запуском после нормальной работы или неисправностей.
Перегрузка по току
Перегрузка по току — это состояние, при котором ток, подаваемый на двигатель, превышает максимально безопасную силу тока. Реле перегрузки необходимы для безопасной работы трехфазных двигателей. Они следуют обратным кривым отключения (т. е. класс 5, класс 10 и т. д.), которые быстро отключаются, если ток двигателя значительно превышает безопасные рабочие пределы, или могут работать в течение нескольких минут, если токи немного превышают пределы. Реле защиты двигателя может использовать эти токи для оценки теплового режима двигателя. Он представляет это путем расчета тепловой мощности двигателя. Холодный двигатель, который не работал, имеет 100-процентную тепловую мощность; Двигатель, который только что отключился из-за перегрузки по току, имеет нулевую тепловую мощность.
Расчеты тепловой мощности предназначены для создания условий отключения до того, как двигатель действительно достигнет небезопасной температуры. Это происходит из-за отставания повышения температуры от тепловой массы двигателя. Условия перегрузки по току могут быть вызваны проблемными условиями, включая нагрузки, превышающие расчетную мощность двигателя, неисправные подшипники, мусор в насосах, создающий сопротивление крыльчатке, в том числе «заблокированный ротор» или высокое/низкое напряжение.
Пониженный ток/недогрузка
Пониженный ток/недогрузка представляет собой состояние, при котором ток или мощность, потребляемая двигателем, меньше, чем ожидалось. Хотя нагрузка ниже ожидаемой может не повредить двигатель, в большинстве случаев важно отключать оборудование, работающее с непреднамеренной недогрузкой. Очевидными проблемами, вызывающими это состояние, являются выход из строя приводной муфты или ремней между двигателем и насосом. Другим менее очевидным состоянием, которое может быть обнаружено реле, является потеря или уменьшение подачи насоса. Если всасывание насоса было частично или полностью ограничено, или клапан был неправильно закрыт на стороне нагнетания насоса, снижение расхода можно определить по падению тока/мощности двигателя.
Некоторые специальные насосы демонстрируют лишь небольшое изменение тока двигателя, вызванное потерей всасываемой жидкости, но при этом происходит гораздо большее изменение коэффициента мощности для этого условия. Интеллектуальное реле защиты двигателя может быть настроено для обнаружения изменения мощности, вызванного потерей нагрузки.
Другим примером является погружной насос, который обычно время от времени работает всухую. Тщательная регулировка задержки перезапуска при недогрузке на реле управления двигателем может дать скважине время на восстановление и возврат к нормальной работе без необходимости выключать все или перезапускать систему.
Рис. 1. Работа двигателя при более высоком или более низком напряжении, чем обычно, увеличивает потребляемый ток, что может сократить срок службы двигателя.
перенапряжение
Двигатель рассчитан на работу при одном напряжении, как показано на рис. 1. Напряжение, превышающее номинальное напряжение двигателя, может увеличить потребляемый ток, что приведет к перегреву и сокращению срока службы двигателя. Пусковой крутящий момент и ток будут больше, чем обычно, что может вызвать проблемы с соответствующим механическим оборудованием. Однако после запуска насос может отключиться из-за перегрузки по току или создать ненужный нагрев, который сократит срок службы двигателя.
Пониженное напряжение
Пониженное напряжение имеет множество последствий для двигателя. Запуск двигателя с напряжением ниже номинального снижает пусковой ток и пусковой момент, потенциально увеличивая время достижения нормальной рабочей скорости. Однако ток полной нагрузки увеличивается при падении напряжения, что может привести к перегреву и сокращению срока службы двигателя. Плохо отрегулированная первичная энергосистема может вызывать периодические понижения и перенапряжения.
Дисбаланс напряжения/тока
Если одна фаза, питающая двигатель, имеет меньшее напряжение, чем две другие (часто это вызвано плохо распределенными однофазными нагрузками в той же энергосистеме), одна или несколько обмоток двигателя испытают чрезмерный ток и перегреются, что приведет к ухудшению изоляции обмоток и сокращение срока службы двигателя. Величина дисбаланса, которую может выдержать двигатель, зависит от конкретного двигателя и от того, насколько сильно он нагружен. Защитное реле может быть настроено на игнорирование небольших дисбалансов и срабатывание при больших. Для исправления может потребоваться перераспределение однофазных нагрузок.
Потеря фазы (отсутствует фаза)
Потеря мощности одной фазы трехфазного двигателя обычно описывается как «однофазная». Это состояние вызывает чрезмерное превышение тока в остальных обмотках двигателя и требует немедленных действий для предотвращения повреждения двигателя. Повреждение силовых проводов ураганом является основным источником однофазных условий. Другими причинами обрыва фазы являются перегоревший предохранитель, поврежденный контакт в контакторе или ненадежное подключение проводника.
Изменение фазы
Большинство трехфазного оборудования предназначено для вращения в одном направлении. Насосы являются хорошим примером. Крыльчатка, которая вращается в неправильном направлении, не будет выполнять полезной работы и может повредить оборудование, если оставить ее в таком состоянии. Направление вращения двигателя связано с чередованием фаз энергосистемы. Это вращение можно изменить, просто поменяв порядок двух из трех силовых проводников, подключенных к оборудованию. Реле защиты двигателей обеспечивают защиту от перефазировки, помогая правильно установить оборудование, а также обнаруживают и защищают двигатели в случае изменения в энергосистеме. Это может произойти при замене трансформатора или другой проводки перед шкафом управления двигателем.
Замыкание на землю
Прямое замыкание на землю является очевидной неисправностью и немедленно приводит к срабатыванию предохранителя или автоматического выключателя. Замыкание на землю низкого уровня — это другое состояние. Для этого требуется защитное устройство, способное обнаруживать токи более низкого уровня и отключать оборудование до того, как возникнет более серьезное состояние. Когда ток начинает протекать на землю на низких уровнях, возможно, из-за ухудшения изоляции двигателя, загрязнения или влаги, этого тока часто недостаточно для срабатывания предохранителя или автоматического выключателя. Если оставить его незамеченным, этот низкий уровень тока заземления будет продолжать увеличиваться и в конечном итоге серьезно повредить двигатель. Реле защиты электродвигателя можно запрограммировать на обнаружение такого тока короткого замыкания низкого уровня и его срабатывание, предотвращая значительный ущерб. Исправление может быть таким же простым, как отключение питания и сушка двигателя, или может потребоваться более дорогое решение, включая снятие двигателя для перемотки.
В некоторых электрических системах используется заземление с высоким сопротивлением, которое ограничивает ток короткого замыкания в случае прямого замыкания одной фазы на землю. Это позволяет системам «подать сигнал тревоги» и продолжать работать до тех пор, пока операторы не определят запланированное время обслуживания.
Заключение
Современное реле защиты электродвигателя может предотвратить повреждение от множества проблем. Работа технического специалиста заключается в том, чтобы ознакомиться со значениями различных кодов ошибок реле, чтобы знать, как определить проблему и какие шаги предпринять для ее устранения.
Кип Ларсон (Kip Larson) — директор по технологиям продукции подразделения Electric Protection Relays компании Littelfuse. Он имеет более чем 20-летний опыт проектирования и применения промышленной электроники.
