2.6 Mootorikaitselüliti ja jõuelektroonika kaitselüliti

iDevice ikoon
Mootori kaitse probleemid. Mootorite kaitset tuleb vaadelda kahes kategoorias:

1. Kaitse mootoriväliste kahjustuste vastu.
2. Kaitse mootorisiseste rikete edasise laienemise vastu mootori sees või/ja elektrisüsteemis.

Tavaliselt kaitse pole kõikehõlmav. Enamus soovimatutest välismõjudest põhjustab mootori temperatuuri tõusu. Niisuguseks välismõjuks võib olla:

  • Lliigkoormus töö või käivituse ajal;
  • Liiga sage käivitamine;
  • Ebaõige või mittesümmeetriline pinge;
  • Puudulik jahutus või halvenenud ventilatsioon.

Ülemäärane temperatuur vähendab isolatsiooni iga. Ea vähenemist mõjutavad nii temperatuuri väärtus kui ka kestvus. Paraku pole mootori ressurss täpselt defineeritav. Rusikareeglina arvatakse, et töötemperatuuri 8...10° tõus üle sellele isolatsiooniklassile lubatud piiri vähendab mootori iga kahekordselt. Ja muidugi vastupidi: 8...10° jahedama mootori isolatsiooni ressurss pikeneb kaks korda.

Mootorikaitselüliti. K-rakendumistunnusjoonega mootorikaitselüliti on mõeldud otse võrku lülitatava lühisrootoriga asünkroonmootori kaitseks. Mootorikaitselülitil on kaks ülesannet:

  1. Avastada ebasobivad olukorrad nagu liigkoormus või lühis;
  2. Katkestada toiteahel.
Soovitatavad kaitseviisid ja -vahendid. Vahelduvvoolumootoritele soovitatakse kasutada:
  • Faasidevahelise ja ühefaasilise lühise kaitset;
  • Liigkoormuskaitset;
  • Mittesümmeetrilise pinge kaitset.

Sünkroonmootoritel peab lisaks olema asünkroontalitluse kaitse. Alalisvoolumasinatel peab olema lühisekaitse, vajadusel ka liigkoormuskaitse ja pöörlemiskiirust piirav kaitse.

Lühisekaitse. Lühisekaitsena sulavkaitsmeid kasutades tuleb sularite nimivoolud valida selliselt, et elektrimootori klemmidel tekkivad lühised lülitataks kindlalt välja. Kaitse ei tohi reageerida käivitusega isekäivitusvoolutõugetele ega tehnoloogiliselt võimalikele koormustippudele. Lühisrootoriga asünkroonmootori käivitusvool on tavaliselt vahemikus (4...8) In.

Kergete käivitustingimuste korral soovitatakse võtta Isular = Ikäivitus/2,5,
raskete käivitustingimuste korral (pikk kiirenduskestus, sagedased käivitused) Isular = Ikäivitus/2...1,6.

Liigkoormuskaitse. Mootoreid tuleb kaitsta liigkoormuse eest, kui tehnoloogiliselt on võimalik mehhanismi ülekoormata, samuti siis kui on vaja piirata käivituse kestust. Kaitse peab olema viitega ning kas lülitama mootori välja, andma signaali või, kui see on võimalik, vähendama mehhanismi koormust. Vaheajalise talitluse korral selline kaitse ei toimi ning teda ei kasutata.

Minimaalpingekaitse. Minimaalpingekaitse peab olema:

  • Alalisvoolumootoritel, mida ei tohi vahetult võrku lülitada;
  • Mootoritel, millega käitatavate mehhanismide isekäivitumine pärast seiskumist pole tehnoloogiliselt või ohutuse seisukohalt lubatav.

Probleem võib olla ka vastupidine: vastutusrikastel mootoritel on sageli isekäivitumine vajalik. Selleks peavad juhtimisahelates olema mehaanilised või elektrilised viiteseadised, mis etteantud aja jooksul pinge taastumisel tagavad elektrimootori tagasilülitumise (kui tehnoloogia ja ohutus lubavad, võib kasutada juhtnuppude asemel lüliteid).

Liigkoormuse all mõistetakse tavaliselt mehaanilist ülekoormust, mis põhjustab mootori ülekuumenemist ja kahjustab eelkõige isolatsiooni. Liigkoormuse kindlakstegemiseks on hulk erineva hinnataseme ja erineva tööpõhimõttega seadmeid. Enamus neist töötab mootorivoolu mõõtmise ja selle alusel kuumenemise prognoosimise järgi. Harva võetakse arvesse ümbritseva keskkonna temperatuuri, ventilatsioonitingimusi või pingetaset.

Pingel on märkimisväärne mõju mootori kuumenemisele, sest ta mõjustab teraseskadusid. Nimivool põhjustab nimitemperatuuri ainult nimipingel. Kui pinge on kõrgem, siis on sama võimsuse saamiseks vajalik vool väiksem. Mootori kasutegur ei muutu oluliselt pinge tõusmisel kuni 10% üle nimipinge. Seega jäävad kaod ja temperatuuri tõus enam-vähem samaks kui sama võimsuse juures voolutugevus muutub pingekõikumistest sõltuvalt.

Liigkoormus käivitamisel on enamasti raskelt määratav. See võib esineda, kui käivitamise vältel on koormus ülemäärane. Lubatav koormus- ja inertsimoment on määratud standarditega ning antud mootori kataloogis. Enamasti on käivitus lühiajaline ning temperatuuri tõus seetõttu mitte väga suur. Probleem muutub oluliseks sagedase käivitamise korral. Seepärast piiratakse standarditega käivitussagedust. Praktiliselt mõjustab käivituste koguarv tööiga ainult sünkroonmootoritel (Lahtmets, 2004).

Üks sagedasemaid liigkoormuse juhtumeid tekib kui töötaval asünkroonmootoril katkeb toide ühes faasis. Faasikaotust võib põhjustada:

  • Liinikatkestus
    • Tormituulest, jääst, välgust, sõiduki tehtud avariist, konstruktsioonivigadest;
    • Lindude-loomade tehtud lühisest;
    • Võimsuslüliti rikkest;
    • Korduvlülitusel tekkinud rikkest;
    • Trafomähise katkestusest;
    • Liinikaitsme rakendumisest.
  • Kohapealne rike
    • Käiviti faasikatkestus;
    • Liigkoormusrelee läbipõlenud kontakt;
    • Kontaktori läbipõlenud klemm;
    • Läbipõlenud sular;
    • Kaablirike;
    • Õhuliini katkestus;
    • Katkestus klemmkarbis;
    • Mootori mähise katkestus.

Kõige halvem juhus on rootori paigalseis. Sel juhul jääb kogu eralduv soojus rootorisse ega kandu seisuajal edasi. Suurte käivitusvoolude (suure libistuse) tõttu on käivitusel eralduv soojushulk väga suur. Raske käivituse korral (kui kiirenemisaeg on suur) võib käivituse ajaks kaitseaparatuuri välja lülitada (sillata) või, veel parem, kasutada käivituse ajaks eri kaitset. Nullkiirus nõuab üldse erilist tähelepanu.

Käivitus. Lühisrootoriga asünkroonmootori otsekäivitusel (vahetul võrku lülitamisel) on käivitusvool sõltuvalt mootori suurusest, kiirusest ja tüübist enamasti vahemikus 4...8 nimivoolu. See tähendab, et käivituse vältel eraldub sama aja vältel soojust 16...64 korda rohkem kui nimivooluga töötamise ajal. Käivitusaeg on suhteliselt lühike. Selle aja vältel ei tohi ükski kaitse rakenduda.

Mootori käivitusvool on ettemääratud tema ehitusega. Kiirendusaeg sõltub ühendatud koormusest, täpsemini selle inertsmassist. Kui kiirendusaeg ja käivitusvool on võrdne või ületab alljärgnevad tüüpsuurused, siis räägitakse tavaliselt raskest käivitusest:

Käivitusvoolukordne 4
6
8
Käivitusaeg, s
10
6
3

Reeglina on tavalise mootorikaitselüliti rakendumistunnusjooned sellised, et neil tingimustel toimub väljalülitamine.

Mootorikaitselüliti termovabasti rakendusaeg on liigitatud rakendumisklassidesse (ingl tripping classes) nagu seda tehakse teistegi mootorikaitsevahenditega.

IEC 947-4-1 defineerib rakendumisklassid 7,2-kordse nimivoolu järgi.

IEC 947-4-1 vastavad rakendumisklassid ning vastavad termovabasti viiteajad.

Rakendumisklass Rakendumisaeg Ip, s

10 A

10

20

30

2 < IP < 10

4 < IP < 10

6 < IP < 20

9 < IP < 30

Lühis. Lühisvoolu korral, mis ületab 8 nimivoolu peab elektromagnetiline vabasti reageerima viivituseta. Kaitselüliti rakendumistunnusjoon peab lubama mootori käivitamist ning vältima mähise riknemist. Probleemi illustreerib joonis 48.


Joonis 48. Liinikaitselülitite rakendustunnusjooned. Allikas: R.Lahtmets. Elektriaparaadid, 2004, lk.40

Mootorikaitselüliti oluline erinevus liinikaitselülitiga võrreldes on palju täpsem reageerimine liigkoormuse korral. 1,05 nimivoolu peab taluma vähemalt üks tund. 1,2 nimivoolu peab olema lahutatud enne ühe tunni möödumist. Rakendumistunnusjooned on joonisel 49.


Joonis 49. Mootorikaitselüliti tunnusjooned. Joonis 50. K ja C tunnusjoonte võrdlus. Allikas: R.Lahtmets. Elektriaparaadid, 2004, lk.40

K ja C tunnusjoontega kaitselülitite võrdlus. Mootorikaitselüliti (K) täidab kaks vastakat nõuet: rakendub kiiresti lühise korral kuid on võimeline taluma suuri voolutõukeid, eelkõige käivitusvoolu. Seetõttu sobib ta lisaks lühisrootoriga asünkroonmootoritele ka teiste voolutõugetega seadmete kaitseks, näiteks trafole ja akupatareile. Sõltuvalt kaitselüliti sarjast on valida kas 8, 10 või 12 nimivoolu kordset voolutõuget taluv aparaat. Joonisel 50 esitatud võrdlusest nähtub, et C tunnusjoonega liinikaitselüliti talub vaid kuni 5 nimivoolu kordset voolutõuget, mis ei võimalda mootori käivitamist.

Veel olulisem erinevus on liigkoormuse lahutamise puhul. 10-amprise nimivooluga mootorikaitselüliti (K) lülitub 1,45-kordse voolu puhul välja 8 minutiga.

I2t = (1,45·10)2·480 = 101000 A2s.

Samasugune liinikaitselüliti (B, C või D) talub 1,45-kordset nimivoolu terve tunni.

I2t = (1,45·10)2·3600 = 757000 A2s.

Järelikult on mootorikaitselülitit kasutades potentsiaalselt võimalik juhtide ja mähise isolatsioonile
mõjuvat soojuskoormust vähendada 7,5 korda.

Seda arvutust saab teha ka lihtsamini - sulgudes olev osa jääb mõlemal juhul võrdseks Soojuskoormuse suurenemise kordsus on võrdne rakendusaegade jagatisega: 3600 : 480 = 7,5.

Elektroonikaseadmete kaitselülitid. Ahelate kaitseks, kus on jõupooljuhtseadmed, arvutid ja muud tarvitid, mille on suur takistus ja puuduvad suured voolutõuked, kasutatakse Z tunnusjoonega kaitselüliteid. Tunnusjoon, nagu näha joonistel 49 ja 50, erineb selle poolest, et viivitamatu väljalülitamine toimub juba 2...3 nimivoolu juures. Väikese liigkoormuse puhul rakendub Z-tunnusjoonega aparaat aga palju varem kui liinikaitselüliti.

Z tunnusjoonega kaitselüliteid toodetakse 0,5 A nimivoolust ülespoole. Niisugune kaitseaparaat sobib enamasti ka sujuvkäivitiga või sagedusjuhtimisega asünkroonmootoritele, kus suured voolutõuked on välistatud (Lahtmets, 2004).