of 45 /45
1. APARATE ELECTRICE DE COMUTAŢIE ŞI PROTECŢIE 1. APARATE ELECTRICE ŞI ELECTRONICE DE COMUTAŢIE ŞI DE PROTECŢIE Aparatele electrice se folosesc în toate etapele de producere, transportare, transformare, distribuţie şi utilizare a energiei electrice. Aceste aparate asigură următoarele funcţii principale: 1) de comutaţie – închiderea şi deschiderea circuitelor electrice; 2) de protecţie şi semnalizare – protejarea instalaţiilor electrice de regimuri de avarie: scurtcircuit, suprasarcină, supratensiune şi semnalizarea acestora; 3) de comandă şi reglare a acţionărilor electrice; 4) de măsură şi contorizare. Unele dintre cele mai răspândite aparate electrice sunt releele, întrerupătoarele simple şi întrerupătoarele automate, contactoarele şi demaroarele, controlerele şi siguranţele. Aceste aparate pot avea o acţionare manuală, electromagnetică sau electronică (în forma unei amplificări). Un circuit magnetic, creat de o bobină, parcursă de curent electric, poate produce o forţă mecanică pentru deplasarea unei armături mobile relativ uşoare la o distanţă mică. Aceste aparate au ca elemente de ieşire unu sau mai multe contacte electrice. Elementele de ieşire ale releelor electronice moderne de comutaţie sunt tranzistoarele şi tiristoarele, care vor fi analizate ]n capitolul urm[tor. 1.1. Relee şi contactoare 1.1.1. Noţiuni generale despre relee şi clasificarea lor Releele reprezintă cele mai simple aparate discrete de comutaţie a circuitelor electrice prin închiderea sau/şi deschiderea bruscă a unui sau mai multe contacte 1

APARATE ELECTRICE ŞI ELECTRONICE DE COMUTAŢIE ŞI DE PROTECŢIE

Embed Size (px)

Text of APARATE ELECTRICE ŞI ELECTRONICE DE COMUTAŢIE ŞI DE PROTECŢIE

Page 1: APARATE  ELECTRICE ŞI  ELECTRONICE  DE  COMUTAŢIE  ŞI DE  PROTECŢIE

1. APARATE ELECTRICE DE COMUTAŢIE ŞI PROTECŢIE

1. APARATE ELECTRICE ŞI ELECTRONICE DE COMUTAŢIE ŞI DE PROTECŢIE

Aparatele electrice se folosesc în toate etapele de producere, transportare,

transformare, distribuţie şi utilizare a energiei electrice. Aceste aparate asigură următoarele funcţii principale:

1) de comutaţie – închiderea şi deschiderea circuitelor electrice;2) de protecţie şi semnalizare – protejarea instalaţiilor electrice de regimuri

de avarie: scurtcircuit, suprasarcină, supratensiune şi semnalizarea acestora;3) de comandă şi reglare a acţionărilor electrice;

4) de măsură şi contorizare.Unele dintre cele mai răspândite aparate electrice sunt releele,

întrerupătoarele simple şi întrerupătoarele automate, contactoarele şi demaroarele, controlerele şi siguranţele. Aceste aparate pot avea o acţionare manuală, electromagnetică sau electronică (în forma unei amplificări). Un circuit magnetic, creat de o bobină, parcursă de curent electric, poate produce o forţă mecanică pentru deplasarea unei armături mobile relativ uşoare la o distanţă mică. Aceste aparate au ca elemente de ieşire unu sau mai multe contacte electrice. Elementele de ieşire ale releelor electronice moderne de comutaţie sunt tranzistoarele şi tiristoarele, care vor fi analizate ]n capitolul urm[tor.

1.1. Relee şi contactoare

1.1.1. Noţiuni generale despre relee şi clasificarea lor Releele reprezintă cele mai simple aparate discrete de comutaţie a circuitelor

electrice prin închiderea sau/şi deschiderea bruscă a unui sau mai multe contacte electrice şi ieşire sub acţiunea unui anumit semnal de intrare, când acesta din urmă depăşeşte o anumită valoare prescrisă. A doua funcţie principală a releelor, în afară de cea de comutaţie discretă, o constituie separarea electrică a circuitului de ieşire faţă de circuitul de intrare, care este necesară pentru a avea diferite valori ale tensiunilor şi curenţilor de intrare şi ieşire. Unele relee, de exemplu cele electrice, mai pot asigura încă o funcţie – de amplificare a semnalului de ieşire faţă de semnalul de intrare, adică pot servi ca amplificatoare . Există o mare varietate de relee, de aceea ele se clasifică după anumite criterii. De exemplu, după tipul semnalului de intrare şi de convertire, releele pot fi:

1) relee electrice - de curent, tensiune, putere, frecvenţă s.a. 2) relee electronice – cu elemente semiconductoare şi microelectronice;

3) relee termice – cu temperatură la intrare;4) relee magnetice, cu inducţie magnetică, flux magnetic;5) relee pneumatice, cu acţionare sub presiunea aerului;6) relee hidraulice, cu acţionare sub presiunea unui lichid;7) relee mecanice (de forţă, tensionare);

8) relee optice sau fotorelee – cu flux de lumină la intrare;9) relee tehnologice (nivelul, debitul unui lichid, concentraţia, umiditatea );

1

Page 2: APARATE  ELECTRICE ŞI  ELECTRONICE  DE  COMUTAŢIE  ŞI DE  PROTECŢIE

1. APARATE ELECTRICE DE COMUTAŢIE ŞI PROTECŢIE

Cele mai numeroase sunt releele electrice şi electronice, care pot fi de diferite tipuri. Toate releele au la ieşire unul sau mai multe contacte electrice. În raport cu separarea galvanică toate releele pot fi cu separare magnetică şi optică (prin flux de lumină). Acestea din urmă includ dispozitive semiconductoare – diode luminiscente şi fotodiode, tranzistoare obişnuite şi fototranzistoare, tiristoare şi fototiristoare, triacuri (tiristoare simetrice) şi altele.

Toate releele însă au doar două stări stabile de funcţionare: acţionat şi ne acţionat, trecând brusc de la o stare la alta sub acţiunea semnalului de intrare când acesta depăşeşte o anumită valoare prescrisă sau de referinţă. În caz general un releu poate avea trei elemente componente principale:

1) elementul sensibil (senzorul), care transformă mărimea de intrare într-o mărime, care poate fi comparată cu mărimea de referinţă;

2) elementul de comparaţie (de prag), care compară aceste mărimi, trecând brusc într-o stare opusă;

3) elementul de amplificare şi de execuţie, care acţionează asupra contactelor de ieşire.Releele cu acţionare temporizată se numesc relee de timp, care pot fi, la rândul lor, de mai multe tipuri : mecanice, electromagnetice, pneumatice, electronice . Ţinând cont de varietatea mare de relee menţionate, în continuare vor fi analizate doar câteva din ele.

1.1.2 Releele electromagnetice şi electronice

Releele şi contactoarele electromagnetice sunt cele mai simple aparate de comutaţie discretă. Elementul de intrare al lor reprezintă o bobină cilindrică, constituită dintr-un anumit număr de spire circulare, care înfăşoară un miez magnetic închis, de exemplu, dreptunghiular. Trei laturi ale acestui miez sunt fixe, iar a 4–a latură este mobilă, deoarece are construcţia unei pârghii sau a unei clapete, care poate fi atrasă fie de un resort, fie de bobină (Fig. 1.1).

Dacă bobina nu este parcursă de curent, atunci resortul atrage armatura mobilă către sine, condiţionând o deschidere a contactului electric de ieşire. În cazul conectării bobinei la o sursă de tensiune sau curent, acest curent formează un câmp (flux) magnetic , care produce o magnetizare a circuitului magnetic şi o polarizare a întrefierului , iar ca urmare - o forţă de atracţie în întrefierul circuitului magnetic: . Fig.1.1

Dacă forţa electromagnetului depăşeşte forţa de rezistenţă a resortului , adică dacă , atunci partea mobilă este atrasă de electromagnet, ceea ce duce la micşorarea întrefierului , închiderea contactului electric de ieşire şi acţionarea releului. Un astfel de contact se numeşte contact normal – deschis (CND), care se închide în momentul acţionării releului, însă majoritatea releelor mai au unul sau mai multe contacte normal – închise (CNÎ), care se deschid la

2

Page 3: APARATE  ELECTRICE ŞI  ELECTRONICE  DE  COMUTAŢIE  ŞI DE  PROTECŢIE

1. APARATE ELECTRICE DE COMUTAŢIE ŞI PROTECŢIE

acţionarea releului. În schemele electrice bobina (circuitul de intrare) se notează printr-un dreptunghi, conectat la sursa respectivă, iar contactele CND şi CNÎ – prin simboluri respective ale unor întrerupătoare sau comutatoare bipoziţionale cu punct comun (fig. 1.2,c). Bornele bobinei se notează, de regulă, prin A1, A2.

Fig..1.2 Notarea convenţională a releelor electromagnetice în schemele electrice

Caracteristica principală a releelor şi contactoarelor electromagnetice de tensiune este caracteristica intrare–ieşire - dependenţa curentului de ieşire (de forţă) de curentul bobinei de intrare , care este neliniară, posedând o zonă de histerezis (Fig. 1.3 – zona haşurată). Dacă iar releul este ne acţionat, adică . Dacă , ceea ce condiţionează o acţionare a releului şi închiderea CND, când . Pentru o acţionare mai sigură, se aplică, de regulă, un curent

. Datorită inducţiei magnetice remanente, la micşorarea curentului , releul revine în starea de repaus la un curent de revenire

, formând astfel zona de histerezis. Fig. 1.3

Releele şi contactoarele electromagnetice de tensiune pot avea o tensiune de alimentare a bobinei fie de curent continuu, fie de curent alternativ, însă de valori standardizate: 12, 24, 110, 220V. În primul caz curentul este limitat numai de rezistenţa activă a bobinei R: , de aceea bobina trebuie să aibă un număr relativ mare de spire, iar ca urmare – un volum şi o masă mai mare.

La alimentare în curent alternativ este limitată în plus şi de reactanţa

bobinei : de aceea numărul de spire poate fi mai mic,

iar ca urmare se micşorează gabaritele. Însă în acest caz inductivitatea bobinei L şi reactanţa ei X depind invers proporţional de valoarea întrefierului (Fig. 1.4). Aceasta condiţionează o creştere a curentului în momentul acţionării de (7 – 10) – ori:. În afară de aceasta, la alimentarea în curent alternativ cresc pierderile în miezul magnetic datorită curenţilor turbionari, de aceea alimentarea în curent continuă este mai preferabilă. Fig. 1..4

3

Page 4: APARATE  ELECTRICE ŞI  ELECTRONICE  DE  COMUTAŢIE  ŞI DE  PROTECŢIE

1. APARATE ELECTRICE DE COMUTAŢIE ŞI PROTECŢIE

O astfel de alimentare permite, de asemenea, realizarea releelor electromagnetice în calitate de relee de timp cu temporizare la deconectare. Pentru aceasta releele de timp prevăd adăugător un inel scurtcircuit, care înfăşoară miezul magnetic. La deconectarea bobinei, când începe să se micşoreze fluxul magnetic , conform legii inducţiei electromagnetice în inel se induce o tensiune , care creează un curent relativ mare. Acest curent creează, la rândul său, un flux magnetic de reacţie, opus fluxului principal descrescător al bobinei. Ca urmare, această descreştere devine întârziată cu câteva secunde. Dezavantajul principal al releelor electromagnetice constă în gabaritele şi masele lor mari, fiabilitatea scăzută a contactului, datorată apariţiei arcului electric la deconectare. De aceea în prezent aceste relee se folosesc mai mult în cazurile, când sunt necesare tensiuni şi curenţi mari de comutaţie (6-10A, 220V) . Însă chiar şi în aceste cazuri aceste relee se execută într-o construcţie compactă. În figura 1.5 sunt arătate nişte relee moderne ale companiei RELPOL cu astfel de parametri şi construcţii, iar contactoarele vor fi arătate în 4.2

Fig. 1.5 Relee electromagnetice moderne compacte ale companiei RELPOL

Ţinând cont de dezavantajele releelor electromagnetice în prezent o răspândire tot mai largă o au releele şi contactoarele electronice, realizate cu elemente semiconductoare fără părţi mobile şi fără de contacte. Ca elemente statice de contact servesc tranzistoarele şi tiristoarele de putere. Releele semiconductoare au

4

Page 5: APARATE  ELECTRICE ŞI  ELECTRONICE  DE  COMUTAŢIE  ŞI DE  PROTECŢIE

1. APARATE ELECTRICE DE COMUTAŢIE ŞI PROTECŢIE

gabarite şi mase mult mai mici, de aceea au fost concepute mai întâi ca elemente de interfaţă (de legătură şi separare electrică) dintre diferite dispozitive ale sistemelor de automatizare . Ele se execută, de regulă, în 2 variante de diferite puteri : la intrarea sau la ieşirea controlerelor programabile electronice (fig.1.6). Separarea electrică dintre circuite se face printr-un flux de lumină.

a) b) c) Fig.1.6 Relee electronice de interfaţă la intrare cu instalare pe rigleta de 35mm (a,b) şi la ieşire pentru curenţi până la 100A (c)

1.1.3 Contactoare electromagnetice şi electronice Contactoarele electromagnetice reprezintă nişte relee electromagnetice de putere mare, deoarece prevăd 2 tipuri de contacte: : principale (de curenţi mari-10-5000A ) şi auxiliare (de curenţi mici, ca la relee – 3-10A), comandate de o bovină şi un circuit magnetic cu o armătură mobilă. În figura 1.7 sunt arătate unele modificaţii ale contactoarelor electromagnetice 3RT10 ale companiei Siemens pentru comanda motoarelor de la 3 la 250kW.

Fig. 1.7 Contactoare electromagnetice 3RT110 ale companiei Siemens

5

Page 6: APARATE  ELECTRICE ŞI  ELECTRONICE  DE  COMUTAŢIE  ŞI DE  PROTECŢIE

1. APARATE ELECTRICE DE COMUTAŢIE ŞI PROTECŢIE

Contactele auxiliare nu au o acţionare electromagnetică proprie, de aceea se montează deasupra contactoarelor, fiind cuplate cu axul părţii mobile a electromagnetului de bază pentru a fi acţionate de acesta odată cu contactele de putere (fig. 1.8). Aceasta se referă nu numai la contactoarele singulare, cât şi la cele duble, destinate pentru comanda reversibilă a motoarelor asincrone.

Fig. 1.8 Montarea contactelor auxiliare deasupra axului mobil al electromagnetului de bază al contactoarelor singulare sau duble

În schemele electrice bobina de comandă a contactoarelor se notează cu literele A1-A2, iar contactele de putere se evidenţiază printr-un semicerc adăugător (fig. 1.9). Contactele auxiliare pot fi normal deschise sau normal închise, pe când contactele de putere sunt numai deschise.

Fig. 1.9 Notarea contactoarelor nereversibile şi reversibile în schemele electrice Pentru comanda motoarelor cu curenţi până la 100 A au fost elaborate, de asemenea, contactoare semiconductoare monofazate, bifazate şi trifazate, utilizând aceleaşi principii de separare electrică ale releelor electronice de putere, denumite şi Solide State Relays. Contactoarele electronice au o construcţie mai compactă pentru montare pe şina DIN de 35 mm, o comandă în curent continuu 24 V şi o protecţie minim necesară., În figura 1.10,a sunt prezentate contactoarele electronice mono-, bi- ţi trifazate R100 , R300 ale companiei ABB. Fig. 1.10

6

Page 7: APARATE  ELECTRICE ŞI  ELECTRONICE  DE  COMUTAŢIE  ŞI DE  PROTECŢIE

1. APARATE ELECTRICE DE COMUTAŢIE ŞI PROTECŢIE

1.2 Întrerupătoare automate tipice

Întrerupătoarele automate tipice (IAT) sunt cele mai răspândite aparate electrice de comutaţie şi de protecţie, fiind utilizate la alimentarea cu curent electric şi protejarea la scurtcircuit şi suprasarcină a tuturor dispozitivelor, utilajelor şi instalaţiilor electrice. În multe cazuri însă IAT pot asigura şi alte tipuri de protecţie, de exemplu la minicurenţi de scurgere la masă (corp) sau la dispariţia tensiunii unei faze. Protejarea este funcţia principală, care se efectuează prin deconectarea automată a circuitelor alimentate în cazuri de depăşire a curenţilor prescrişi (sau prestabiliţi). Comutarea manuală sau automată de la distanţă prin intermediul unui electromagnet este o funcţie auxiliară, necesară pentru deconectarea circuitelor de la reţeaua electrică de alimentare în cazul unor reparaţii, deoarece mecanismul de zăvorâre mecanică al lor are un număr limitat de comutări. În cazuri când sunt necesare un număr relativ mare de comutări pe oră se folosesc contactoarele, conectate la ieşirea întrerupătoarelor, deoarece contactoarele nu sunt prevăzute cu funcţii de protecţie. În practică însă sunt des folosite, de asemenea, mai ales la iluminatul electric, şi întrerupătoarele neautomate, care sunt mult mai simple, deoarece nu au mecanism de broască. Însă acestea din urmă nu pot proteja circuitele la supracurenţi, fiind utilizate doar pentru închiderea şi deschiderea manuală a circuitelor, Evident, că în aceste cazuri întrerupătoarele neautomate trebuie conectate la ieşirea întrerupătoarelor automate.

Întrerupătoarele automate monopolare (monofazate), sau tripolare (trifazate) conţin respectiv câte unul sau trei contacte principale (de forţă), închiderea sau deschiderea (acţionarea) cărora în regim normal ( ) este, de regulă, manuală, iar în cazuri speciale este dublă – manuală şi electromagnetică, pentru a putea fi comandate de la distanţă ca şi contactoarele. IAT sunt menţinute în stare închisă cu ajutorul unui mecanism special de zăvorâre (broască). În cazurile, când curentul atinge valoarea de scurtcircuit – , controlată de un disjunctor sau declanşator electromagnetic, acesta din urmă acţionează asupra mecanismului mecanic de zăvorâre, deconectând automat şi cu rapiditate maximă circuitul electric controlat. După înlăturarea scurtcircuitului întrerupătoarele automate pot fi reanclanşate manual sau automat foarte uşor şi repede, spre deosebire de siguranţele fuzibile, care trebuie schimbate după ardere. În legătură cu aceasta uneori aceste întrerupătoare se mai numesc siguranţe automate. Declanşatorul electromagnetic de scurtcircuit reprezintă un microreleu de curent maximal, în cazul unui singur pol, sau trei microrelee de curent, introduse în fiecare fază a IAT trifazat, partea mobilă a cărora acţionează asupra unui resort reglabil, producând astfel deszăvorârea mecanismului mecanic de broască şi întreruperea circuitului electric de forţă.

Majoritatea IAT moderne mai conţin în plus şi un declanşator termic de suprasarcină, care reprezintă un disjunctor sau un releu termic clasic cu bimetal, introdus în fiecare fază a curentului de forţă şi care acţionează, de asemenea, asupra mecanismului de zăvorâre al IAT. Deoarece curentul de suprasarcină

7

Page 8: APARATE  ELECTRICE ŞI  ELECTRONICE  DE  COMUTAŢIE  ŞI DE  PROTECŢIE

1. APARATE ELECTRICE DE COMUTAŢIE ŞI PROTECŢIE

, acţionarea declanşatorului termic este temporizată, întârzierea fiind invers proporţională cu valoarea curentului. În figura 1.11 sunt indicate 2 curbe timpului de deconectare termică a întrerupătoarelor din stare fierbinte sau rece în funcţie de raportul dintre curentul real şi cel nominal.

Ţinând cont de dezavantajele releelor termice, au fost elaborate, de asemenea, şi declanşatoare electronice de suprasarcină pe baza unui releu electronic de control direct al curentului sau a temperaturii unui termistor, rezistenţa căruia variază sub acţiunea curentului electric. Aceste declanşatoare electronice au o rapiditate mai mare şi un diapazon de prescriere mai larg. Unele întrerupătoare automate moderne, destinate pentru comanda acţionărilor electrice, sunt prevăzute cu contacte electrice auxiliare de curenţi mici, montate, de obicei, lateral (într-o parte sau alta a întrerupătorului). Fig. 1.11

În afară de numărul de poli (1,2 sau 3) şi de tipul declanşatorului, IAT pot fi clasificate şi caracterizate printr-o serie întreagă de parametri:

- curentul nominal, valoarea căruia este standardizată, de exemplu :

A;- tensiunea nominală, la fel standardizată

V;- frecvenţa nominală sau 60 Hz;- capacitatea maximă de rupere la scurtcircuit ;- caracteristica de acţionare a declanşatorului “timp – curent” – în

dependenţă de clasa declanşatorului - A, B, C, D.Declanşatoarele electromagnetice de protecţie la scurtcircuit au următoarele

clase principale :A - - pentru protecţia dispozitivelor electronice;B - - pentru protecţia iluminatului în casele de locuit;C - - pentru protecţia motoarelor electrice;D - - pentru protecţia transformatoarelor şi a sarcinilor

capacitive.Timpul de acţionare al acestor declanşatoare .

8

Page 9: APARATE  ELECTRICE ŞI  ELECTRONICE  DE  COMUTAŢIE  ŞI DE  PROTECŢIE

1. APARATE ELECTRICE DE COMUTAŢIE ŞI PROTECŢIE

Nomenclatura întrerupătoarelor automate, produse de diferite companii, este foarte largă, însă construcţia lor este asemănătoare. În particular pentru iluminat şi sisteme casnice cu curenţi se produc IAT cu 1, 2, 3 şi 4 poli (al patrulea pentru firul nul N). În figura 1.12 sunt reprezentate întrerupătoarele automate modulare de tipul S2, S200, S500 ale companiei ABB cu curenţi 6-63A şi cu diferite clase de declanşatoare. Ele au o construcţie compactă cu montare standardizată pe rigleta DIN 35 mm. Dispozitivele auxiliare (accesoriile) acestor întrerupătoare, care se fixează lateral, sunt arătate în figura 1.13. Ele includ, în afară de contacte auxiliare, declanşatoare de tensiune minimă S2C-UA, prevăzute cu prescrieri de 35-70 % sub valoarea nominală a tensiunii, precum şi tensiune maximă S2C-OVP1 (275 V) şi S2C-OVP2 (290 V). În figura 1.14 este arătat un întrerupător automat trifazat ABB, destinat pentru protecţia motoarelor.

Fig 1.12 Întrerupătoare automate modulare S2,S200,S5000 pentru iluminat ale companiei ABB

Fig,12.13 Dispozitive auxiliare ale IAT S2 ABB Fig.1.14 ÎAT trifazat ABB

9

Page 10: APARATE  ELECTRICE ŞI  ELECTRONICE  DE  COMUTAŢIE  ŞI DE  PROTECŢIE

1. APARATE ELECTRICE DE COMUTAŢIE ŞI PROTECŢIE

Pentru protecţia motoarelor asincrone cu puteri până la 45kW toate companiile produc o serie compactă şi performantă de întrerupătoare automate trifazate cu curenţi până la 100A .Declanşatorul electromagnetic de scurcircuit al acestor întrerupătoare este acordat la o valoare , ceea ce permite o pornire normală a motoarelor şi o protecţie optimală la scurtcircuit. Pentru protecţia transformatoarelor, care au un curent de conectare chiar mai mare decât curentul de pornire al motoarelor, declanşatorul de scurtcircuit se acordează la o valoare mai mare: . Declanşatorul termic al acestor întrerupătoare permite o acordare a acţionării lor în diapazonul (0,7 -1,0) IN, unde IN constituie curentul nominal al întrerupătorului, care se alege mai mare cu (30-50) % faţă de curentul nominal al motorului. În figura 1.15 sunt reprezentate 2 modificaţii principale SM1 şi SM2 şi diferite dispozitive auxiliare ale întrerupătoarelor automate tipice ale companiei Lovato Electric cu un diapazon 0,1-32A şi 22-100A. Pe lângă cele 2 protecţii principale, aceste întrerupătoare mai asigură în plus protecţia motoarelor la dispariţia unei faze. În componenţa accesoriilor intră nu numai contactele auxiliare şi declanşatorul de tensiune minimă, ca la compania ABB, ci şi nişte şine de conexiuni paralele ale întrerupătoarelor, cutii de montare a lor pe perete sau pe un panou şi altele.

Fig. 1.15 Întrerupătoare automate trifazate SM1 - SM2 şi diferite dispozitive auxiliare şi accesorii ale lor, produse de compania Lovato Electric

Întrerupătoarele de curenţi mai mari de 100A au o construcţie clasică cu montare în spatele panourilor de distribuţie a energiei electrice. În figura 1.16 sunt arătate 3 modificaţii ale întrerupătoarelor LZM ale companiei Moeller cu curenţi 15-1600A.

10

Page 11: APARATE  ELECTRICE ŞI  ELECTRONICE  DE  COMUTAŢIE  ŞI DE  PROTECŢIE

1. APARATE ELECTRICE DE COMUTAŢIE ŞI PROTECŢIE

Fig.1.16 Întrerupătoare trifazate LZM de curenţi 15-1600A ale companie Moeller

Notarea convenţională generală a întrerupătoarelor în schemele electrice este arătată în figura 1.17. Contactele de putere sunt specificate prin literele L1-L3 şi T1-T3, iar contactele auxiliare normal deschise şi normal închise ţ prin 1.11-1.12, 1.21-1.22, 1.13-1.14, 1.23-1.24. Mecanismul de broască este reprezentat printr-un pătrat cu cruce în interior. Asupra acestui mecanism acţionează declanşatorul termic în formă de impuls dreptunghiular temporizat şi declanşatorul electromagnetic de protecţie la scurtcircuit, identificat prin litera I şi semnul >.

Fig.1.17 Reprezentarea elementelor întrerupătorului automat în schemele electrice

11

Page 12: APARATE  ELECTRICE ŞI  ELECTRONICE  DE  COMUTAŢIE  ŞI DE  PROTECŢIE

1. APARATE ELECTRICE DE COMUTAŢIE ŞI PROTECŢIE

1.3 Întrerupătoare automate diferenţiale de protecţie la curenţi de scurgere la masă sau în pământ

Importanţa aceste întrerupătoare constă nu numai în protecţia motoarelor şi a altor utilaje electrice, izolate de pământ sau de nul, la apariţia curenţilor de scurgere la masă, sau la pământ, în cazurile înrăutăţirii izolaţiei lor faţă de corp, ci şi în protejarea organismului uman la atingerea lui de corpul instalaţiilor aflate sub tensiune. În plus, această protejare are loc nu numai la atingerea corpului motoarelor aflate sub tensiune, ci la orice atingere de un conductor deschis aflat sub o anumită tensiune. În fiecare caz prin organismul uman trece un curent, care depinde de rezistenţa corpului şi de valoarea tensiunii şi care se închide prin pământ, în cazul sistemului de tensiune cu nul legat la pământ. Acest curent poate fi mic, însă pentru organismul uman un curent mai mare de 0,1 A este deja periculos. Rezistenţa interioară medie a organismului uman tânăr, de la mână spre picior, constituie aproximativ 1000-2000 Ω. Dacă picioarele nu sunt izolate de pământ, atunci la o tensiune de 230V prin organism poate să treacă un curent de 115-230 mA, ceea ce pentru un organism tânăr poate fi mortal. De aceea întrerupătoarele automate diferenţiale (IAD), destinate pentru protecţia electrocutării organismului uman, sunt prevăzute cu următoarele valori de prescriere ale curentului de scurgere: 10, 30, 100mA.

În cazul legării corpului motoarelor la nul sau la pământ, întrerupătoarele obişnuite le pot deconecta numai la o străpungere definitivă, când rezistenţa izolaţiei se micşorează până la zero, şi când curentul creşte până la valoarea de scurtcircuit. În practică însă rezistenţa izolaţiei faţă de corp, în majoritatea cazurilor, nu scade brusc până la zero, ceea ce cauzează un curent de scurgere mult mai mic decât cel de scurtcircuit, însă suficient deseori pentru a provoca electrocutări umane sau scânteieri. De aceea protecţia la curentul de scurgere la masă poate servi în plus ca şi o protecţie antiincendiară. Evident, că valorile curentului de prescriere al întrerupătoarelor diferenţiale pentru o astfel de protecţie pot fi mai mari faţă de protecţia organismului uman - 0,1-1,0A. În cazul, când curentul real de scurgere depăşeşte valoarea respectivă de prescriere, IAD deconectează în mod automat, la fel ca şi întrerupătoarele automate obişnuite, circuitul de forţă al unui consumator, pe care-l protejează.

Valorile nominale ale curentului de forţă al întrerupătoarelor diferenţiale, produse industrial, coincid cu valorile standardizate ale curentului întrerupătoarelor automate obişnuite - 16, 25, 50, 63, 100A (la cele ruseşti BД1 – 63 УЗО) sau AД12, AД14) şi 16, 25 – 224A (la cele germane Siemens 5SM1). Valorile nominale ale tensiunilor însă depind de numărul de faze ale instalaţiilor, care se protejează prin IAD. Din acest punct de vedere IAD se împart în 2 variante constructive principale (vezi foto BД1– 63 Fig.4.26,a):

1) cu 2 intrări şi 2 ieşiri de forţă (faza L şi nulul N) – pentru consumatori monofazaţi;

2) cu 4 intrări şi 4ieşiri de forţă (L1, L2, L3 şi N) – pentru instalaţii trifazate. Întrerupătoarele diferenţiale ruseşti BД1-63 (fig. 1.18,a) nu pot asigura

protecţia, instalaţiilor la scurt circuit şi suprasarcină, de aceea utilizarea lor

12

Page 13: APARATE  ELECTRICE ŞI  ELECTRONICE  DE  COMUTAŢIE  ŞI DE  PROTECŢIE

1. APARATE ELECTRICE DE COMUTAŢIE ŞI PROTECŢIE

necesită o înseriere cu întrerupătoare automate obişnuite. În legătură cu aceasta au fost elaborate, de asemenea, nişte IAD combinate – AД12, AД–14(Fig. 1.18, b) sau 5SU3(6), care asigură toate protecţiile menţionate mai sus.

a) b)Fig. 1.18. Întrerupătoare automate

diferenţiale ale companiei ruseşti ИЭК : a) – ВД1-63 cu protecţie numai la curent de scurgere la masă; b) – АД12, АД14 cu protecţie la curent de scurgere, la curent de scurtcircuit şi la curent de suprasarcină

În figura 1.19 sunt reprezentate câteva modificaţii de ÎAD F200 şi DS ale companiei ABB cu aceleaşi 2 funcţii de protecţie. Valorile curentului prescrise de scurgere ale lor sunt cuprinse între 0,1A şi 1,2A. Ele mai asigură , de asemenea, o temporizare reglabilă 0,3-5s pentru deconectare selectivă a 2 ÎAD.

Fig. 1.19. Întrerupătoare automate diferenţiale DS ale companiei ABB

13

Page 14: APARATE  ELECTRICE ŞI  ELECTRONICE  DE  COMUTAŢIE  ŞI DE  PROTECŢIE

1. APARATE ELECTRICE DE COMUTAŢIE ŞI PROTECŢIE

Principiul de funcţionare al IAD este relativ simplu, având la bază un transformator diferenţial cu circuit magnetic toroidal 1 (fig. 1.20). Prin fereastra interioară a acestui toroid se trec conductoarele curentului de forţă, care servesc ca înfăşurări primare de o singură spiră w1=1 ale transformatorului diferenţial. În variantă monofazată, de exemplu, curentul conductorului de fază I1 este egal cu curentul nulului , însă aceşti curenţi au sensuri diferite. Ca urmare, fluxurile magnetice Ф1 şi Ф2 , create de aceşti curenţi în miezul toroidal, de asemenea sunt egale şi opuse: Ф1 = Ф2 , iar fluxul rezultant: ФΣ =Ф1 - Ф2 = 0, ceea ce condiţionează în înfăşurarea secundară cu spire w2 o tensiune de inducţie e2 =0.

În cazul atingerii operatorului uman de un conductor aflat sub tensiunea de fază, sau de corpul instalaţiei, izolaţia căreia este străpunsă, prin organismul uman, pământ şi faza de alimentare apare un curent adăugător, numit curent de scurgere la pământ Isc. Acest curent condiţionează un dezechilibru între curenţii (I1 +Isc) - I1 = I>0 şi fluxurile lor magnetice

Ф1 - Ф2 = Ф >0. Ca urmare, în circuitul secundarului transformatorului apare un curent I2 >0, care alimentează electromagnetul 2. Când acest curent atinge valoarea prescrisă I2=Ip, are loc acţionarea electromagnetului 2, declanşarea mecanismului de zăvorâre 3 şi deconectarea automată a instalaţiei de la reţeaua de alimentare.

Pentru o testare imitatoare a funcţionării întrerupătorului diferenţial este prevăzut un buton „Test” şi o rezistenţă anumită R, care pot forma un curent artificial de scurgere prin şuntarea transformatorului . Fig. 1.20. Principiul de funcţionare al ÎAD

În mod analogic funcţionează şi varianta trifazată a întrerupătorului diferenţial, trecându-se prin fereastra miezului magnetic toate conductoarele de fază, inclusiv nulul reţelei. În lipsa curentului de scurgere, suma curenţilor

acestor conductoare, de asemenea, este egală cu zero: iL1 +iL2 +iL3 =0. În unele instalaţii însă forma acestor curenţi nu este sinusoidală, ceea ce necesită nişte modificaţii speciale ale IAD.

Toate întrerupătoarele diferenţiale însă necesită o deblocare manuală în caz de acţionare,

14

Page 15: APARATE  ELECTRICE ŞI  ELECTRONICE  DE  COMUTAŢIE  ŞI DE  PROTECŢIE

1. APARATE ELECTRICE DE COMUTAŢIE ŞI PROTECŢIE

Notarea convenţională a ÎAD monofazate şi trifazate în schemele electrice include transformatorul toroidal şi butonul de testare înseriat cu rezistenţa de limitare a curentului de scurgere artificială (fig. 1.21).

Fig.1.21.Întrerupătoare automate diferenţiale şi notarea lor în schemele electrice

Aceste dispozitive sunt recomandate în prezent ca obligatorii în sistemele casnice de alimentare cu energie electrică încă dintr-un motiv. Ele mai permit o depistare a furturilor de energie electrică, când unii consumatori de energie monofazată unesc aparatele lor electrice numai la un conductor al contorului – la linia de fază respectivă. Al doilea conductor – nulul, ei îl unesc la corpul diferitor sisteme legate la nul, cum ar fi reţele termice de încălzire, sau de aprovizionare cu apă şi altele. În astfel de cazuri o parte din curentul consumat nu trece prin contor, ceea ce conduce la un furt de energie electrică. Corpul instalaţiilor electrice însă trebuie conectat la electrodul de protecţie PE, separat de nulul N (fig. 1.22). Fig. 1.22

Dacă se alege un IAD cu 3 funcţii de protecţie, adică la scurtcircuit, suprasarcină şi scurgere la masă, atunci el poate înlocui întrerupătorul general de alimentare a unor case comunale sau particulare. Schema de conectare în acest caz depinde de numărul de faze, de numărul şi tipul sarcinilor electrice – lămpi, prize, boilere, plite electrice, maşini de spălat şi altele. În figura 1.23 este arătată, ca exemplu, schema simplificată de alimentare a unei clădiri sau vile cu câteva etaje. Ea prevede 1 întrerupător general trifazat Q1, cu 4 poli şi cu un curent sumar de 125A. Fiecare fază include, ca element principal de protecţie generală monofazată, câte un întrerupător automat diferenţial

15

Page 16: APARATE  ELECTRICE ŞI  ELECTRONICE  DE  COMUTAŢIE  ŞI DE  PROTECŢIE

1. APARATE ELECTRICE DE COMUTAŢIE ŞI PROTECŢIE

Q10, Q20, Q30 de 25A, 32A şi 40A pentru 3 grupe principale de consumatori : lămpile de iluminat, prizele de alimentare a aparatelor casnice şi celelalte sarcini diverse. În fiecare grupă consumatorii principali sunt alimentaţi printr-un întrerupător automat obişnuit cu un curent nominal, în funcţie de sarcină de consum. De exemplu, lămpile consumă un curent mai mic, de aceea pentru ele se recomandă de ales câte un întrerupător obişnuit de 6-10A pentru fiecare cameră, iar pentru prize – câte un întrerupător automat obişnuit de 16A, deoarece sarcinile lor sunt mai mari. Un astfel de concept nu afectează alimentarea celorlalţi consumatori la deconectarea avariată sau operativă a unuia singur din grupă. Însă el trebuie să asigure o consecutivitate a protecţiilor – întrerupătoarele individuale trebuie să aibă un curent nominal mai mic, faţă de întrerupătorul principal.

Fig. 1.23. Principiu de alimentare şi protecţie a unei vile cu câteva etaje În multe cazuri însă lămpile au nevoie de un întrerupător obişnuit şi nu diferenţial, deoarece se alimentează prin 2 fire. În figura 1.24 este arătat un astfel de exemplu, utilizând aparate ale firmei franceze Merlin Gerin, care intră în compania germană SCHNEIDER ELECTRIC. Fiecare întrerupător este

16

Page 17: APARATE  ELECTRICE ŞI  ELECTRONICE  DE  COMUTAŢIE  ŞI DE  PROTECŢIE

1. APARATE ELECTRICE DE COMUTAŢIE ŞI PROTECŢIE

prevăzut, de regulă, cu 2 poli – pentru fază (de culoare roşie) şi pentru nul (de culoare albastră, care trebuie să fie primul). Alimentarea se face, de regulă în partea de sus, iar sarcina se conectează în partea de jos a fiecărui aparat. Utilizarea întrerupătoarelor automate cu un singur pol, de exemplu pentru fază, îngreuiază executarea conexiunilor cablurilor separate la nul în interiorul panoului de alimentare şi menţine probabilitatea de apariţie a unei alte faze în Nul .

Fig. 1.24. Exemplu de conectare a aparatelor companiei franceze Merlin Gerin Toate companiile producătoare de aparate electrice, produc, de asemenea, şi panouri compacte de montare şi asamblare a acestora. Ele sunt prevăzute pentru un număr diferit de aparate – 4, 6, 8, 12, 16, 24, care se montează pe rigleta

17

Page 18: APARATE  ELECTRICE ŞI  ELECTRONICE  DE  COMUTAŢIE  ŞI DE  PROTECŢIE

1. APARATE ELECTRICE DE COMUTAŢIE ŞI PROTECŢIE

standardizată de 35mm DIN 35. Dacă numărul lor este mare, atunci ele se proiectează pentru montare într-un singur rând, sau pentru 2 rânduri (etaje, cum este arătat în figura precedentă). În figura 1.25 este prezentat un panou simplu cu un singur întrerupător automat diferenţial, ca protecţie generală, şi 4 întrerupătoare automate obişnuite pentru fiecare sarcină separată. Acest panou prevede, de asemenea, o bară de cupru cu şuruburi, care trebuie să fie conectată la şină de împământare subterană. La fiecare şurub al acestei bare se conectează al treilea conductor de culoare galbenă cu dungă verde (conductorul de protecţie PE) al prizelor sau aparatelor casnice, care asigură împământarea acestora. Aceste panouri pot avea diferite execuţii constructive : IP 23 de montare în încăperi, sau de montate în aer liber - IP 54. Toate cablurile exterioare trebuie montate în furtunuri gofrate flexibile de protecţie, care pot asigura şi o schimbare a lor în caz de necesitate.

Fig. 1.25. Exemplu de panou al companiei franceze Merlin Gerin

În caz dacă panoul de conexiuni nu are bară de împământare, aceasta poate fi realizată prin intermediul bornelor cu montare pe şină de 35 mm (fig. 1.26, a).

Pentru montarea conductoarelor electrice de 0,1-300 mm2 în diferite dulapuri şi panouri de comandă, compania americano –canadiană WEIDMULLER produce o nomenclatura bogată de borne modulare din seriile W, Z, I. Conductoarele se

18

Page 19: APARATE  ELECTRICE ŞI  ELECTRONICE  DE  COMUTAŢIE  ŞI DE  PROTECŢIE

1. APARATE ELECTRICE DE COMUTAŢIE ŞI PROTECŢIE

fixează în 2 moduri – sub şurub sau sub resort, într-un rând (etaj) sau în 2-3 rânduri (etaje), unul fiind destinat, de exemplu, pentru împământare. Pentru conectarea paralelă a unor module sunt prevăzute nişte punţi din 2 sau mai multe contacte, iar pentru conectarea paralelă a unor conductoare de secţiune mai mică - montarea superioară a unor adaptoare de trecere. Sunt prevăzute, de asemenea, şi diferite variante de testare a tensiunii conductoarelor, de exemplu prin unele ştechere cilindrice. În figura 1.26 sunt arătate unele borne din seriile W şi Z – cu şi fără înşurubarea conductoarelor, precum şi principiile lor de fixare .

b)

c)

Fig. 1.26. Borne modulare din seriile W şi Z ale companiei WEIDMULLER cu şi fără înşurubarea conductoarelor şi principiile principale de fixare ale lor

19

Page 20: APARATE  ELECTRICE ŞI  ELECTRONICE  DE  COMUTAŢIE  ŞI DE  PROTECŢIE

1. APARATE ELECTRICE DE COMUTAŢIE ŞI PROTECŢIE

1.4 Scheme tipice de comandă simplificată şi protecţie a motoarelor asincrone trifazate în scurtcircuit

Schemele clasice de comandă automatizată secvenţială cu relee şi contactoare ale motoarelor asincrone (MA) în scurtcircuit de putere mică şi mijlocie sunt cele mai simple, deoarece ele sunt proiectate special pentru pornirea directă la reţea, sau pentru pornirea Y/Δ. Curentul de pornire în primul caz este mai mare decât cel nominal de 5-7 ori, ceea ce reprezintă unul din dezavantajele principale ale acestor motoare. Pornirea Y/Δ micşorează curentul liniar de 3 ori, de aceea se utilizează pentru majoritatea motoarelor de putere mijlocie. În unele cazuri însă această ultimă metodă nu este posibilă, fiind înlocuită cu starterele tiristorizate, descrise în capitolul 4. MA de puteri mari impun pentru micşorarea curentului introducerea temporară în circuitul statoric a unor elemente adăugătoare (inductivităţi, autotransformatoare), care apoi sunt şuntate cu ajutorul contactoarelor.

Comanda automatizată a motoarelor asincrone prevede, de regulă, nu numai

pornirea, ci şi alte funcţii, impuse de procesul tehnologic al maşinii de lucru sau de cerinţele de protecţie şi securitate. Dintre aceste funcţii fac parte: frânarea, inversarea, reglarea, comanda din câteva locuri, semnalizarea, protecţia la scurtcircuit şi la suprasarcină, blocarea unor regimuri tehnologice sau electrice nedorite ş.a. Realizarea acestor funcţii poate fi făcută prin mai multe principii, iar ca urmare şi prin mai multe variante ale schemelor tipice de comandă. Frânarea, de exemplu, poate fi făcută în contracurent, prin metoda dinamică sau recuperativă. Pe lângă comanda automatizată, schemele tipice mai prevăd, de obicei, şi o comandă manuală (de rezervă).

În figura 1.27, a este reprezentată schema de forţă a pornirii directe nereversibile a motorului asincron trifazat cu rotorul în scurtcircuit, care prevede în circuitul statorului un întrerupător automat QF, pentru protecţie la scurtcircuit, un releu termic cu două elemente sensibile KK pentru protecţie la suprasarcină şi contactele de forţă ale contactorului (demarorului) trifazat KM. Această schemă poate avea 3 variante de comandă, determinate de tipul maşinii de lucru: 1) cu un singur element de comandă pentru pornire şi oprire – un întrerupător simplu SA, care asigură o autopornire la dispariţia şi reapariţia tensiunii reţelei de alimentare (fig. 1.27, b). În sistemele complexe de automatizare în locul întrerupătorului SA se foloseşte contactul de ieşire al unui bloc automat, de exemplu a unui controler; Această schemă este recomandată pentru pompe.

2) cu un singur element de comandă pentru pornire şi oprire – un buton simplu SB cu contact normal – deschis. La luarea degetului de pe buton, motorul se opreşte (fig. 1.27, c); Ea se foloseşte pentru instrumentele electrice. 3) cu 2 butoane de comandă: SB1 cu contact normal – deschis pentru pornire şi SB2 cu contact normal – închis pentru oprire, precum şi cu o automenţinere a funcţionării motorului la luarea degetului de pe butonul SB1. (fig. 1.27, d). Această automenţinere se realizează prin şuntarea butonului SB1 cu contactul normal – deschis auxiliar al contactorului KM. În caz de suprasarcină de curent de 5 – 40% contactul releului termic deconectează motorul.

20

Page 21: APARATE  ELECTRICE ŞI  ELECTRONICE  DE  COMUTAŢIE  ŞI DE  PROTECŢIE

1. APARATE ELECTRICE DE COMUTAŢIE ŞI PROTECŢIE

Fig. 1.27. Scheme de comandă nereversibilă ale motorului asincron În figura 1.28 este arătată aceeaşi comandă nereversibilă a MA, însă cu protecţii de bază realizate prin elemente diferite, precum şi în standard european.

Fig. 1.28 Comanda nereversibilă a MA cu protecţii de bază în standard european

În figura 1.29 sunt indicate scheme de pornire directă reversibilă a MA cu 2 contactoare tripolare KM1 (Q11) şi KM2 (Q12), care alcătuiesc un demaror reversibil şi care asigură schimbarea succesiunii a 2 faze de alimentare a statorului. Autoalimentarea fiecărui contactor după apăsarea temporară a butonului de sens

21

Page 22: APARATE  ELECTRICE ŞI  ELECTRONICE  DE  COMUTAŢIE  ŞI DE  PROTECŢIE

1. APARATE ELECTRICE DE COMUTAŢIE ŞI PROTECŢIE

direct (D) SB1 (I), sau a butonului de sens invers (I) SB2 (II), se efectuează la fel ca şi la comanda nereversibilă: prin şuntarea butoanelor cu contactele auxiliare normal – deschise ale contactoarelor corespunzătoare - KM1 (Q11) şi KM2 (Q12). Aceste scheme de comandă însă mai asigură o protecţie adăugătoare: de acţionare simultană a ambelor contactoare, urmată de scurtcircuitarea a două faze a reţelei. Pentru evitarea ei, bobina contactorului KM1 se înseriază cu contactul auxiliar normal – închis KM2, iar bobina contactorului KM2 – cu contactul normal – închis KM1. În legătură cu aceasta contactele normal – închise KM1 şi KM2 se mai numesc contacte de interblocare, care împiedică inversarea motorului fără a apăsa mai întâi pe butonul SB3 (0)”STOP”.

c) Fig.12.29 Scheme tipice de comandă reversibilă a MA în standard clasic (a, b) şi

european (c)

22

Page 23: APARATE  ELECTRICE ŞI  ELECTRONICE  DE  COMUTAŢIE  ŞI DE  PROTECŢIE

1. APARATE ELECTRICE DE COMUTAŢIE ŞI PROTECŢIE

Prima variantă de comandă din figura 1.29 c asigură o inversare a sensului de rotaţie numai după o deconectare prealabilă a contactorului precedent prin butonul comun 0 (21-22) STOP, deoarece apăsarea celuilalt buton nu întrerupe alimentarea bobinelor contactoarelor prin contactele auxiliare de automenţinere ale lor Q11 (13-14) şi Q12 (13-14). În cea de-a doua variantă, inversarea este posibilă din mers, adică fără apăsarea butonului STOP, deoarece apăsarea celuilalt buton întrerupe alimentarea bobinei contactorului precedent. Această variantă se foloseşte pentru comanda unui motor cu 2 viteze. O astfel de comandă manuală este reprezentată în figura 1.30, a, unde fiecare înfăşurare de fază statorică este constituită din 2 secţii egale. Prin conectarea acestor secţii în triunghi sau în stea dublă (fig.1.30, b,c) se pot obţine 2 variante de perechi de poli ale înfăşurării statorice, iar ca urmare – 2 viteze diferite şi proporţionale, de exemplu n1=60f1/p1=60*50/2=1500 rot/min şi n2=60f1/p2=60*50/1=3000 rot/min. Pentru conexiunea de stea dublă sunt necesare 5 contacte de forţă, de aceea se folosesc 2 contactoare KM2, bobinele cărora sunt conectate paralel. Mai întâi motorul se accelerează până la viteza mică, apoi se apasă SB2 şi se trece din mers la viteza mare. Oprirea motorului din oricare regim se efectuează prin butonul SB3 STOP.

a)

b) c) Fig. 1.30. Comanda secvenţială a unui motor asincron cu 2 viteze

23

Page 24: APARATE  ELECTRICE ŞI  ELECTRONICE  DE  COMUTAŢIE  ŞI DE  PROTECŢIE

1. APARATE ELECTRICE DE COMUTAŢIE ŞI PROTECŢIE

O utilizare largă pentru motoarele de puteri mijlocii o are pornirea STEA-TRIUNGHI, care asigură o micşorare de 3 ori a curentului de pornire a motorului, conectând statorul mai întâi în STEA, la o tensiune de fază de 1,73 ori mai mică (fig. 1.31, a). După o pauză de 7-10 s, un releu de timp reconectează automat motorul în TRIUNGHI la o tensiune de fază, egală cu tensiunea de linie, care constituie tensiunea nominală a lui. În figura 1.31 ,a este arătată totodată cutia de borne cu cele 6 capete ale înfăşurărilor de fază U1-U2, V1-V2, W1-W2 şi conexiunile orizontale din ea pentru o conexiune Y, sau verticale pentru Δ.

a)

b) Fig. 1.31. Schema tipică de pornire STEA-TRIUNGHI a motorului asincron

24

Page 25: APARATE  ELECTRICE ŞI  ELECTRONICE  DE  COMUTAŢIE  ŞI DE  PROTECŢIE

1. APARATE ELECTRICE DE COMUTAŢIE ŞI PROTECŢIE

Schema de forţă la pornirea STEA-TRIUNGHI (în standard european) prevede 3 contactoare de putere: Q11 – contactorul de linie; Q13 – STEA şi Q15 – TRIUNGHI, precum şi un releu termic de protecţie la suprasarcină F2, dacă în locul întrerupătorului automat Q1 sunt utilizate siguranţe fuzibile F1 (fig. 1.31, b).

Partea de comandă a acestei scheme, cu un bloc S11 cu 2 butoane - I START şi 0 STOP, precum şi cu un releu de timp cu temporizare la conectare K1, este arătată în figura 1.32 (în 2 variante). Schema funcţionează în felul următor.

La apăsarea butonului I START, prin contactul normal închis al releului de timp K1/15-16, se alimentează mai întâi bobina contactorului Q13 STEA. Contactul normal deschis al acestui contactor Q13/13-14 alimentează, la rândul său, bobina contactorului principal de linie Q11, care porneşte motorul în STEA,, precum şi bobina releului de timp K1, care începe numărarea timpului prescris. Când acest timp expiră, releul de timp K1 deconectează contactorul Q13 STEA şi conectează contactorul Q15 TRIUNGHI, aplicând motorului o tensiune nominală. Contactul de interblocare Q15/21-22 întrerupe circuitul bobinei contactorului Q13 STEA pentru a nu putea fi acţionat în timpul funcţionării în TRIUNGHI. Oprirea şi protecţia motorului este aceeaşi, ca şi în schemele precedente.

Varianta a doua mai prevede o protecţie tehnologică cu ajutorul contactului normal închis S14/1-2, care poate fi contactul unui limitator de cursă.

Fig.1.32 Partea de comandă a schemei tipice de pornire STEA-TRIUNGHI a MA1.5. Principii şi dispozitive moderne de protecţie a motoarelor asincrone

25

Page 26: APARATE  ELECTRICE ŞI  ELECTRONICE  DE  COMUTAŢIE  ŞI DE  PROTECŢIE

1. APARATE ELECTRICE DE COMUTAŢIE ŞI PROTECŢIE

1.5.1. Principii şi noţiuni generaleMotoarele asincrone (MA) cu rotor scurtcircuitat şi de utilizare generală, pe

lângă simplitatea şi preţul mic de cost, posedă totuşi un dezavantaj principal : sunt sensibile la diferite regimuri anormale şi, în deosebi la suprasarcini la arbore, deoarece cuplul maxim al lor este limitat: Mmax=(2,0 – 2,5)MN , iar cuplul de pornire este şi mai mic. Depăşirea cuplului de suprasarcină MS> Mmax, chiar pe o perioadă scurtă, condiţionează oprirea motorului şi trecerea lui în regim de scurtcircuit cu o alunecare S=1 şi un curent . Dacă cuplul de suprasarcină nu se micşorează şi dacă protecţia motorului nu-l deconectează timp îndelungat de la reţea, regimul de scurtcircuit conduce la supraîncălzirea şi ieşirea lui din funcţie. De aceea protecţiei trebuie să i se acorde o atenţie şi o importanţă deosebită, deoarece aceasta nu este numai o problemă tehnică, ci deseori şi una economică. Într – adevăr, ieşirea din funcţie a motorului este însoţită, de regulă, şi de întreruperea îndelungată a unui proces tehnologic sau a unui utilaj costisitor, iar, ca urmare, şi de pierderi economice în afară de cheltuieli pentru reparaţia motorului.

Suprasarcina de curent a MA trifazate însă poate fi condiţionată nu numai de creşterea cuplului de sarcină la arbore, ci şi de alte cauze:

din cauza creşterii timpului de pornire, care depinde de momentul de inerţie al maşinii de lucru;

din cauza micşorării tensiunii sau frecvenţei reţelei de alimentare; din cauza asimetriei tensiunilor de fază sau la dispariţia unei faze; din cauza numărului mare de porniri pe oră; din cauza înrăutăţirii ventilaţiei sau a creşterii temperaturii mediului ; din cauza unor defecţiuni mecanice (a sfărâmării rulmenţilor); din cauza alimentării cu tensiuni nesinusoidale.

Sarcina principală a dispozitivelor de protecţie (DP) constă în deconectarea motorului înainte ca temperatura lui să atingă valoare maximă, după care se micşorează rezistenţa izolaţiei, devenind periculoasă pentru o funcţionare normală. La baza acestor dispozitive pot sta mai multe principii sau tipuri de protecţie :

maximală de curent (de scurtcircuit); maximală şi minimală de tensiune, sau la dispariţia ei; protecţia la dispariţia unei faze; protecţia la suprasarcini la arbore, care atrage după sine şi suprasarcini

de curent (1,05 – 1,5)IN; protecţia la curenţi de scurgere la masă (corp), care apar la scăderea

rezistenţei de izolaţie sub o anumită limită; protecţia antiexplozivă (pentru lucrări în mine, unde predomină

amestecuri de gaze explozive); protecţia climatică (contra influenţei factorilor climatici ai mediului

ambiant cu temperaturi foarte ridicate sau scăzute, cu umiditate excesivă).

Dintre toate aceste protecţii cele mai principale sunt cele de curent maximal (scurtcircuit), de suprasarcini şi de dispariţie a unei faze. Suprasarcinile la arborele

26

Page 27: APARATE  ELECTRICE ŞI  ELECTRONICE  DE  COMUTAŢIE  ŞI DE  PROTECŢIE

1. APARATE ELECTRICE DE COMUTAŢIE ŞI PROTECŢIE

motorului conduc la o creştere lentă a curentului şi a temperaturii înfăşurărilor lui, de aceea acest tip de protecţie se mai numeşte şi protecţie termică, iar ea poate fi realizată prin 2 sau chiar 3 procedee sau metode:

1) prin măsurarea temperaturii înfăşurărilor (metoda directă); 2) prin măsurarea curentului (metoda indirectă);3) prin ambele metode.

Controlul direct al temperaturii se recomandă în următoarele cazuri: în regimurile cu funcţionare de scurtă durată (S2) sau intermitentă (S3),

când curentul poate depăşi valoarea nominală, iar temperatură – nu; în cazul unor porniri – frânări îndelungate (peste 10s); la o răcire insuficientă sau la o temperatură înaltă a mediului ambiant;

Pentru a controla temperatura reală a MA în înfăşurările lor se instalează, în calitate de senzori termici, nişte termorezistenţe sau termistoare

semiconductoare cu un coeficient pozitiv de temperatură (la

creşterea temperaturii motorului rezistenţa senzorului creşte proporţional şi invers). Această variaţie este transformată apoi de dispozitivul de protecţie într – un semnal discret de declanşare a contactorului KM, care alimentează statorul motorului. Protecţia lui la scurtcircuit în aceste cazuri trebuie asigurată cu ajutorul întrerupătoarelor automate QF sau a siguranţelor fuzibile (fig. 1.33).

Fig. 1.33 DP bazate pe măsurarea reală a curentului motorului se realizează, la rândul

lor, cu ajutorul a 4 tipuri principale de aparate de protecţie termică : întrerupătoare automate cu declanşatoare termice de protecţie la

suprasarcină (în plus la protecţia la scurcircuit) ; relee termice de protecţie cu 2 metale diferite şi lipite, care la încălzire

se îndoaie, acţionând mecanic asupra unui contact electric; relee electronice de protecţie, care compară valoarea reală a curentului

cu cea prescrisă, acţionând când aceste valori devin egale. relee electronice de protecţie combinată, care controlează atât

curentul, cât şi temperatura reală a motorului. Realizarea practică a tuturor acestor principii de protecţie se efectuează prin

deconectarea bobinei de alimentare a contactorului de comandă a motorului asincron în caz de depăşire neadmisibilă a curentului acestuia. Pentru acest scop au fost propuse mai multe variante de scheme electrice tipice, care au devenit un standard industrial şi care utilizează, în plus, şi nişte elemente de comandă, ca de exemplu butoanele sau comutatoarele cu semnalizare luminiscentă.

1.5.2 Dispozitive moderne de protecţie termică şi electronică

27

Page 28: APARATE  ELECTRICE ŞI  ELECTRONICE  DE  COMUTAŢIE  ŞI DE  PROTECŢIE

1. APARATE ELECTRICE DE COMUTAŢIE ŞI PROTECŢIE

În figura 1.34, a este reprezentat releul termic 3RU al companiei Siemens şi elementele lui de comandă. El are nişte ieşiri în variantă de şurub, iar intrările au forma unor fişe de o anumită lungime şi amplasate la o astfel de înălţime, încât să asigure o montare exactă împreună cu contactorul de comandă al motorului (fig.1.34, b) . Fiecare releu termic se execută pentru un interval anumit de curent, de exemplu 1-1,6A, sau 2,5-4A şi aşa mai departe până la 100A. Alegerea valorii necesare a curentului nominal se efectuează cu ajutorul unui disc rotitor cu cruce în centru. Releul este prevăzut cu 3 butoane : STOP - de culoare roşie, care asigură deconectarea contactorului fără acţionarea releului, TEST, ascuns sub un căpăcel de masă plastică, şi RESET după acţionarea lui.

Fig.1.34 Releul termic de protecţie a motoarelor 3RU al companiei Siemens (a) şi montarea lui într-un singur bloc cu contactorul 3RT (b În figura 1.35 sunt reprezentate nişte relee termice separate şi accesoriile de montare ale lor, produse de compania italiană LOVATO ELECTRIC. În afară de protecţia la suprasarcină, ele mai pot proteja motorul la dispariţia unei faze şi sunt prevăzute cu resetare manuală sau automată.

Fig.1.35

28

Page 29: APARATE  ELECTRICE ŞI  ELECTRONICE  DE  COMUTAŢIE  ŞI DE  PROTECŢIE

1. APARATE ELECTRICE DE COMUTAŢIE ŞI PROTECŢIE

În figura 1.36, a este reprezentat o modificaţie mai nouă a unui releu termic, produs de aceeaşi companie LOVATO ELECTRIC într-un singur bloc compact cu contactorul trifazat de comandă a motorului , iar în figura 1.36, b - protecţia termică clasică printr-un întrerupător automat., cuplat cu un contactor corespunzător. În figura 1.37 compania ABB propune o variantă de protecţie integrată, inclusiv la dispariţia unei faze şi la asimetria fazelor. într-un întrerupător automat, la care se mai adaugă doar contactorul.

a) b) Fig.1.36.Dispozitive de protecţie clasică: a)-, cu releu termic–contactor şi întrerupător automat Fig.1.37 Protecţie integrată – contactor (LOvato Electric) în întrerupător automat ABB În figura 1.38 sunt arătate o grupă de relee electronice de protecţie la depăşirea valorilor maxime şi minime ale tensiunii, curentului, frecvenţei, la dispariţia unei faze, la variaţia succesiunii fazelor, asimetriei lor, sensului de rotaţie a motorului ale companiei LOVATO ELECTRIC. Releele de tensiune, de exemplu, sunt universale. deoarece includ mai multe protecţii – la dispariţia unei faze, la asimetria şi succesiunea lor. Unele dintre aceste protecţii acţionează momentan (la dispariţia fazei sau schimbarea succesiunii lor), iar altele - cu întârziere.

Fig.1.38. Relee electronice de protecţie ale companiei Lovato

29

Page 30: APARATE  ELECTRICE ŞI  ELECTRONICE  DE  COMUTAŢIE  ŞI DE  PROTECŢIE

1. APARATE ELECTRICE DE COMUTAŢIE ŞI PROTECŢIE

Dintre releele electronice de protecţie de tensiuni joase ale companiei Siemens pot fi menţionate relee 3RB10 (fig. 1.39, a) cu un diapazon de control al curentului 0,4-630A (335kW), care sunt mult mai performante faţă de releele termice. Ele asigură un diapazon mult mai larg de prescriere a curentului: Ip=(0,25 – 1,0)IN adică 1:4, având o acţionare IA=1,14Ip – la fiecare valoare prescrisă; o protecţie adăugătoare la dispariţia unei faze de alimentare a motorului cu un timp de acţionare până la 3s; un consum de energie mult mai mic. Un alt parametru al acestor relee este clasa de temporizare la pornirea motorului – 5, 10 şi 20. Această clasă subînţelege o temporizare respectivă de 5, 10 sau 20 de secunde , necesare pentru a exclude acţionarea lor în timpul pornirii motorului, când curentul depăşeşte mult valoarea nominală. Releele 3RB10, la fel ca şi cele italiene, nu impun nici o sursă exterioară de alimentare în curent continuu +5V, întrucât se alimentează de la acelaşi sistem de tensiune pe care îl controlează şi protejează. Pentru aceasta releele 3RB10 includ 3 transformatoare de măsurare a curentului (TC) în fiecare fază şi un transformator de tensiune de putere mică (fig. 1.39, b). Dispozitivul electronic conţine nişte circuite integrate analogice (microscheme), care compară curentul real din fiecare fază cu cel prescris şi în caz de depăşire formează un semnal discret de acţionare de tip releu cu CNI.

a) b) Fig.1.39 Releul electronic de

protecţie 3RB10 al companiei Siemens

Releele 3RB12 (Siemens) sunt înzestrate cu un microprocesor, de aceea sunt mai performante decât 3RB10, asigurând mai multe funcţii de protecţie, inclusiv protecţie termică directă (cu senzor de temperatură) şi indirectă, precum şi funcţii de comandă, de diagnostică. Pe lângă

funcţiile releului precedent, acest releu asigură o protecţie la o asimetrie substanţială a tensiunilor (curenţilor) pe faze, la străpungerea izolaţiei faţă de corp (pământ), la blocarea mecanică a motorului .

30