1) Какие последствия может вызвать повышенное напряжение в сети?
Все производители электроаппаратуры приводят допустимый диапазон изменения напряжения питания, в пределах которого их аппаратура работает нормально. Например, если прибор может работать при напряжении 220 В ± 10%, это означает, что минимальное напряжение его питания составляет 220 — 22 = 198 В, г. максимальное 220 + 22 = 242 В. Понятно, что если напряжение питания ниже 198 В или выше 242 В, разработчик не может гарантировать нормальную работу своего прибора.
Проблему повышенного напряжения достаточно легко понять, потому что во всех случаях, каким бы ни был тип потребителя, перенапряжение всегда приводит к росту потребляемого тока. Если перенапряжение значительное, или продолжительное по времени, защита потребителя от перегрева является задачей тепловых и электромагнитных предохранительных устройств. Если перенапряжение слабое, короткое или редко возникающее, потребителю, как правило, ничто не угрожает.
С другой стороны, если перенапряжение очень значительное (например, при грозовом разряде оно может превышать многие миллионы Вольт), всплеск силы тока может быть таким, что потребитель сгорит, прежде чем на этот всплеск среагируют предохранительные устройства.
Если на лампочку напряжением 24 В / 3 Вт подать 24 В (см. рис. 55.1), она горит, потребляя мощность 3 Вт. Однако, если на нее подать напряжение 240 В (то есть в 10 раз больше), она мгновенно перегорает. Это происходит потому, что потребляемая мощность пропорциональна квадрату напряжения (Р = U2 / R). Таким образом, подключая лампочку к источнику питания с напряжением, в 10 раз большим номинального, мы заставляем ее поглощать мощность, возросшую в 100 раз (то есть 300 Вт, что соответствует небольшому электронагревателю).

2) Какие последствия может вызвать падение напряжения в сети?


В случае падения напряжения, проблема определения последствий гораздо более сложная, поскольку последствия зависят от типа потребителя электроэнергии. В общем, можно выделить две основные категории потребителей: типа сопротивления и типа двигателя.
Для потребителя типа сопротивления,
падение напряжения всегда приводит к эквивалентному снижению потребляемого тока (напомним закон Ома: I = U
Так, при низком напряжении, сопротивление потребляет более слабый ток, что не
влечет за собой абсолютно никакой опас-
ности  его  повреждения.  Например  (см.
рис. 55.2), сопротивление, потребляющее 300 Вт при 240 В, будет потреблять только 3 Вт, если оно находится под напряжением 24 В! Конечно, это может быть очень плохо, если речь идет, например, об электронагревателе картера компрессора!


Для потребителя типа двигателя необходимо различать двигатели, приводящие в действие устройства с большим моментом сопротивления (см. рис. 55.3), например, поршневые холодильные компрессоры, и приводные двигатели механизмов с низким моментом сопротивления (например, осевой вентилятор, для вращения которого достаточно легкого дуновения ветра).
Центробежные вентиляторы находятся между этими двумя категориями, однако большинство из них имеет такие характеристики, с которыми трудно выдержать заметное падение напряжения питания. Поэтому их, как правило, относят к категории агрегатов с большим моментом сопротивления.

Прежде всего вспомним, что момент на валу двигателя, то есть его способность приводить в движение какой-либо агрегат, зависит от квадрата напряжения питания.
Так, если двигатель предназначен для работы при напряжении 220 В, то в случае падения напряжения до ПО В (то есть в 2 раза меньше), его крутящий момент на валу упадет в 4 раза (см. рис. 55.4).
Если во время падения напряжения момент сопротивления приводимого агрегата очень велик (например, у компрессора), двигатель останавливается. При этом он начинает потреблять ток, равный величине пускового тока, и это происходит в течение всего периода вынужденной остановки. В результате, двигатель опасно перегревается и остается только надеятся, что встроенная защита или тепловое реле защиты очень быстро отключат питание.
С другой стороны, если момент сопротивления приводимого устройства низкий (например, у небольшого осевого вентилятора), снижение напряжения питания обусловливает уменьшение скорости вращения, потому что мотор при этом имеет меньшую располагаемую мощность.
Как раз именно это свойство используется в большинстве многоскоростных двигателей, вращающих вентиляторы в индивидуальных кондиционерах (см. рис. 55.5).
В положении БС (большая скорость) сопротивление замкнуто накоротко и к мотору подается 220 В. Он вращается с номинальной скоростью.
В положении МС (малая скорость) сопротивление включено последовательно с обмоткой двигателя, что обусловливает заметное падение напряжения на двигателе. Крутящий момент на валу падает, и вентилятор вращается с пониженной скоростью.

При этом падает и потребляемый ток. Это свойство широко используется при изготовлении электронных регуляторов скорости на основе тиристоров, специально предназначенных для регулирования давления конденсации путем изменения скорости вращения осевых вентиляторов. устанавливаемых в конденсаторах с воздушным охлаждением (см. рис. 55.6).
Эти регуляторы, называемые иногда вентилями тока или преобразователями, работают, как и большинство регуляторов-ограничителей, по принципу "срезания" части амплитуды переменного тока.


Поз. I. Высокое давление конденсации, регулятор скорости полностью пропускает полупериоды сети. Напряжение на клеммах двигателя (соответствующее заштрихованной области) равно напряжению в сети и двигатель вращается с максимальной скоростью, потребляя номинальный ток.
Поз. 2. Давление конденсации падает, в действие вступает регулятор, срезая часть каждого полупериода, поступающего на вход двигателя (в каждом полупериоде он на короткое мгновение отключает питание). Среднее напряжение на клеммах двигателя падает (см. заштрихованную область) и скорость, также как и потребляемый ток, падают.
Поз. 3. Если среднее напряжение становится настолько слабым, что крутящий момент двигателя оказывается меньше, чем момент сопротивления вентилятора, мотор останавливается и начинает греться. Поэтому регуляторы скорости, как правило, настраиваются на предельно допустимое значение минимальной скорости.
Примечание. Метод "срезания" части амплитуды переменного тока может использоваться только тогда, когда однофазные двигатели предназначены для привода агрегатов с низким моментом сопротивления. Если речь идет о трехфазных двигателях (для привода машин с большим моментом сопротивления), то нужно использовать многоскоростные двигатели (см. раздел 65) или частотные преобразователи, гораздо более дорогостоящие и громоздкие, либо двигатели постоянного тока (эти два типа оборудования используются с приборами типа "Инвертор").
Падение напряжения может происходить и в сети внешней энергосистемы: мы хорошо знаем последствия кратковременного отключения напряжения или падения напряжения, которые приводят к снижению яркости освещения. Мы знаем также, что необходимо соблюдать правила подбора сечения питающих проводов, чтобы ограничить падение напряжения на них до приемлемой величины. Однако, иногда падение напряжения может иметь и другие причины, не относящиеся напрямую к потерям напряжения в подводящих проводах.

Например, катушка электромагнита реле 24 В (вполне обычная), позволяющая управлять небольшим контактором, представленным на рис. 55.7, в момент срабатывания электромагнита потребляет ток 3 А, а в режиме удержания потребляемый ток составляет 0,3 А (то есть в 10 раз меньше).
То есть электромагнит при включении потребляет ток, равный десятикратному току режима удержания. Хотя продолжительность включения очень короткая (около 20 мс), это иногда может оказывать заметное влияние в больших командных цепях, имеющих много контакторов или реле.

В ней установлено 20 контакторов, от С1 до С20 (поскольку размеры страницы ограничены, контакторы с С2 по С19 на схеме не показаны).
После выключения тока все 20 контакторов находятся в ждущем режиме. Как только ток включится, они одновременно сработают.
Поскольку каждый контактор потребляет при срабатывании 3 А, через вторичную обмотку трансформатора пойдет ток, равный 3 х 20 = 60А!
Если вторичная обмотка имеет сопротивление 0,3 Ом, то падение напряжения на ней в момент срабатывания контакторов составит 0,3 х 60 = 18 В. Тогда напряжение питания контакторов составит всего 6 В (см. рис. 55.9), и они могут не сработать.
При этом, и трансформатор, и проводка будут сильно перегреваться, а контакторы начнут гудеть, но не смогут переброситься в режим удержания, что будет продолжаться до тех пор, пока не сгорит предохранитель или не сработает автомат защиты.

Если вторичная обмотка трансформатора имеет сопротивление 0,2 Ом, в момент включения питания контакторов падение напряжения на ней составит 0,2 х 60 = 12 В. Контакторы при этом будут запитаны только 12 В вместо 24 В, и утверждать, что они сработают, нет никаких    |jj| оснований. Если же они не сработают, ток в цепи останется аномально высоким, также как и в предыдущем примере.
Проблема сопротивления вторичной обмотки объясняет, почему напряжение холостого хода на выходе трансформатора более значительное, чем напряжение под нагрузкой. Чем больше потребляемый ток, тем ниже выходное напряжение.

В примере на рис. 55.10 трансформатор 220/24 В имеет мощность 120 ВА и запи-тан напряжением 220 В.
Когда трансформатор выдает ток 5 А, замер выходного напряжения дает нам величину 24 В (24 х 5 = 120 ВА).
Однако, когда потребляемый ток падает до 1 А, выходное напряжение повышается, достигая, например, 27 В. Это напряжение, вызвано влиянием сопротивления провода вторичной обмотки.

Если ток падает, выходное напряжение растет. И наоборот, если потребляемый ток больше 5 А, выходное напряжение становится ниже 24 В и трансформатор начинает перегреваться (напомним, что нагрев зависит от квадрата тока).
Итак, слишком маломощный трансформатор может вызвать серьезные проблемы: поэтому нельзя пренебрегать подбором мощности трансформаторов!

3) Как настраивать тепловое реле?


Реле тепловой защиты предназначено, главным образом, для защиты двигателя от незначительной по величине, но продолжительной перегрузки по току. Напомним, что двигатель нагревается пропорционально квадрату потребляемого тока (Р = R х I2). Таким образом, если потребляемый ток возрастает в 2 раза (см. рис. 55.11), нагрев двигателя увеличивается в 4 раза.
Конечно, идеальным вариантом тепловой зашиты был бы такой вариант, при котором двигатель очень быстро отключался бы от сети при превышении заданного значения силы тока. Однако, в этом случае возможно срабатывание реле тепловой защиты на пусковом режиме, когда сила тока, в некоторые моменты, может в 8 раз превосходить номинальное значение. Поэтому, используемая конструкция (на основе трех биметаллических пластин) позволяет запустить двигатель без нежелательных отключений. Это достигается за счет установки в тепловое реле нагревательного элемента, который выбирается с учетом времени, необходимого для отключения двигателя в зависимости от тока, проходящего через нагревательный элемент.

Кривая на рис. 55.12 построена для наиболее благоприятного случая, когда биметаллические пластины нагревательного элемента уже горячие (если эти пластины холодные, время отключения возрастает). Для теплового реле, настроенного на 10 А, при токе 10 А отключения не происходит вообще, что представляется вполне нормальным. Если ток растет до 15 А, тепловое реле отключит двигатель примерно через 80 с. При токе 40 А, отключение произойдет через 6 с, а при токе 60 А - через 3 с.
Рассмотрим теперь кривую построенную для реле, настроенного на те же 10 А, но для случая, когда тепловое реле должно защищать трехфазный двигатель в случае обрыва одной из фаз (двигатель работает только с двумя обмотками).

Если оставшиеся две обмотки потребляют 10 А, тепловое реле отключит двигатель примерно через 240 с (4 минуты). Если ток вырастет до 15 А, отключение произойдет примерно через 40 с. При токе в 20 А, тепловому реле для отключения двигателя потребуется 18 с, для 60 А - 3 секунды.
Как видим, настроенное на 10 А тепловое реле, в случае аномалий, отключает защищаемый двигатель через достаточно длительный отрезок времени.
Поэтому, тепловое реле никогда не следует настраивать на величину тока, превышающую номинальное значение (указанное на пластинке, прикрепленной к корпусу двигателя).

Часто случается, что двигатель потребляет ток ниже, чем указано на его корпусе. Это объясняется тем, что сила тока, указанная на корпусе, соответствует току, потребляемому при номинальном значении развиваемой двигателем мощности. Например, компрессор, оснащенный конденсатором с воздушным охлаждением, зимой потребляет ток ниже (давление конденсации меньше), чем летом (давление конденсации больше). В этом случае, реле тепловой защиты должно быть настроено на максимальное значение потребляемой силы тока, не превышающее, однако, силы тока, указанной на корпусе (иначе для чего нужна табличка с характеристиками двигателя?).
В двигателе, представленном перегрев обусловлен. При этом, тепловое реле не может реагировать на аномальное повышение температуры двигателя или его обмоток.
То же самое произойдет, если оребренный корпус двигателя чрезмерно загрязнится: охлаждение обмоток ухудшится и двигатель начнет сильно перегреваться. В этом случае реле тепловой защиты также не сможет ничего сделать, поскольку потребляемый ток не возрастает. Только встроенная тепловая защита (предусмотренная разработчиком) способна обнаружить опасное повышение температуры и вовремя выключить двигатель.

С другой стороны, повышение потребляемой двигателем силы тока может быть вызвано механическими неисправностями (например, заклинивание подшипника в двигателе или приводимом агрегате). Это повышение силы тока (которое будет происходить довольно медленно, с той же скоростью, что и увеличение силы трения в подшипнике), рано или поздно, вызовет отключение двигателя тепловым реле или встроенной тепловой защитой, если она существует (в этом случае двигатель оснащен двойной системой тепловой безопасности, что может быть тем более полезным, поскольку двигатель является важнейшим элементом установки).
Чтобы дополнить наши сведения о тепловых реле, напомним, что они выполняют свои функции для каждой из обмоток в отдельности. Это означает, что если 3 биметаллических пластинки нагреваются по-разному (например, если в одной из обмоток имеется обрыв, две других нагреваются), реле отключает двигатель (см. кривую на рис. 55.13).

Функция дифференциального межфазного реле, которую при этом выполняет тепловое реле, дает неоспоримые преимущества в случае использования трехфазного двигателя (см. поз. 1 на рис. 55.15), однако требует специальной схемы подключения в случае использования однофазного двигателя.
В самом деле, если подключить реле так, как показано на поз. 2 рис. 55.15, правая пластина не будет нагреваться и через несколько минут после начала работы реле выключит двигатель.

То есть реле необходимо подключать таким образом, чтобы все три биметаллические пластины пропускали одинаковый ток (см. поз. 3 на рис. 55.15).
Наконец, напомним, что тепловое реле оказывается совершенно бесполезным для защиты от перегрева электронагревателей, поскольку этот тип потребителя рассчитан на постоянную силу тока (I = U / R). Если в электронагревателе произошло короткое замыкание, гораздо более эффективным средством его защиты является простой плавкий предохранитель, который к тому же, значительно дешевле.

4) Для чего нужны плавкие предохранители серий gl и аМ?
Мы видели, что тепловое реле служит для защиты двигателя от продолжительного, но небольшого превышения номинальной силы тока. Однако, в случае короткого замыкания потребителя, тепловое реле будет слишком инерционным и громадный ток, проходящий в цепи при коротком замыкании, может привести к значительным повреждениям (расплавлению проводов и кабелей, пожару). Поэтому, для защиты установки от короткого замыкания, используются плавкие предохранители.

Рассмотрим рабочую кривую промышленного плавкого предохранителя серии gl, рассчитанного на номинальный ток 10А (см. рис. 55.16).
При токе 10 А, проходящем через этот предохранитель, последний никогда не расплавится (что априори представляется нормальным). Если ток достигает 25 А, предохранитель расплавится через 6 секунд, а при токе 60 А - через 0,1 секунды.
Такой предохранитель нельзя использовать для защиты короткого замыкания двигателя с номинальным током 10 А. В самом деле, если пусковой ток достигнет значения 60 А, а продолжительность пускового периода превысит 0,1 секунды (что случается очень часто), предохранитель расплавится при первой же попытке запуска двигателя.

Следовательно, эта серия предохранителей (gl) может использоваться для защиты от короткого замыкания таких потребителей, у которых пусковой ток либо вовсе не отличается от номинального (например, электронагреватели), либо продолжительность пускового периода чрезвычайно короткая (например, лампы накаливания, подобные тем, которые приведены на рис. 54.39).



Рассмотрим теперь кривую плавкого предохранителя серии аМ (совместимого с двигателем), также рассчитанного на номинальный ток 10 А (см. рис. 55.17).
Видно, что предохранитель этой серии способен бесконечно долго выдерживать ток 25 А без отключения потребителя. При прохождении через него тока в 60 А, он выдерживает до расплавления 10 секунд (вместо 0,1 с для серии gl), что вполне достаточно для запуска двигателя. С другой стороны, при возникновении короткого замыкания, он очень быстро отключит сеть от потребителя, ограничивая ток короткого замыкания вполне допустимой величиной.
Следовательно, эта серия предохранителей (аМ) предназначена для защиты от короткого замыкания потребителей, имеющих продолжительный период действия пускового тока (например, электродвигатели) или характеризующихся очень высоким значением пускового тока с коротким временем действия (например, первичная обмотка трансформатора, что менее распространено).
Подбор плавких предохранителей (и электромагнитных автоматов защиты, которые все шире приходят им на смену) является достаточно сложной и, зачастую, не вполне изученной задачей, хотя они и могут оказаться причиной многих аномалий в работе установки. Поэтому, автор призывает вас к изучению многочисленной технической документации различных разработчиков этих устройств, если вы желаете пополнить свои знания в данной области.
' В настоящее время широко используются регулируемые автоматы защиты двигателей, которые совмещают в себе функции теплового реле и предохранителей типа аМ, что позволяет, при правильном подборе и настройке автомата, надежно защитить двигатель. Поэтому, все вышеуказанное о тепловых реле и предохранителях типа аМ, можно отнести и к регулируемым автоматам защиты двигателей. Тем не менее, при выборе автомата, мы рекомендуем строго следовать рекомендациям производителя.