Электропроект

Расчет и подбор автоматического выключателя и сечения проводника питания для асинхронного электродвигателя

Расчет и подбор аппарата защиты для асинхронного электродвигателя отличается от расчета и подбора автоматического выключателя для обычной нагрузки. По поводу подбора аппарата защиты (далее автомат или АВ) к асинхронному электродвигателю (далее ЭД) существует много информации, но это дело (расчет и подбор АВ) достаточно трудоемкий процесс, который упирается во множество нормативных документов. Лично я для себя подобрал собственный метод, собрав из многочисленных источников. Данный метод не является официальным, но собран из официальных источников. При его использовании ошибка в расчетах не более ±5 %.

Сначала обозначения и необходимые формулы.

1. U_н - номинальное напряжение электросети, В. По ГОСТ 29322-2014 для трехфазной сети 400 В, для однофазной - 230 В.

2. U_л - линейное напряжение, В. В рамках данной статьи U_л=U_н=400 В или 0,4 кВ.

3. U_ф - фазное напряжение, В.

4. K_т - тепловой коэффициент, зависит от размещения, принимается от 0,85 до 1. Для размещения автоматических выключателей в щитах принимается 0,85.

5. K_п - пусковой коэффициент от 5 до 7. В данной статье принимаем 7.

6. K_н - коэффициент надежности, 1,4.

7. K_нр - коэффициент нерасцепления электромагнитного расцепителя в холодном состоянии автомата, А. Коэффициент, который указывает на то, что автомат не отключится в самом начале подключения нагрузки, принимается 1,13.

8. K_мр - (Хар.) - коэффициент мгновенного электромагнитного расцепителя (характеристика электромагнитного расцепителя). Существуют несколько характеристик А, В, С, D, МА, К, Z. Самые распространённые - В, С, D. В - электромагнитный расцепитель сработает при превышении номинального тока в 3...5 раз (5 включительно). С - электромагнитный расцепитель сработает при превышении номинального тока в 5...10 раз (10 включительно). D - электромагнитный расцепитель сработает при превышении номинального тока в 10...15 раз. Подробно о время-токовых характеристиках (ВТХ) электромагнитных расцепителей в ГОСТ IEC 60898-1-2020. Подробности здесь.

9. I_н - номинальный ток асинхронного электродвигателя (далее ЭД), А.


В статье √(3) ≈ 1,73, поэтому принимаем 1,73.

10. Р_н - номинальная активная мощность нагрузки, кВт. Данная мощность - это та мощность, которая уже выдается устройством для выполнения какой-либо работы. Если нужна электрическая активная мощность, то ее можно вычислить по формуле


где - η - коэффициент полезного действия (КПД) в условных единицах, т.е. нужно проценты поделить на 100. Например, 85 % - это


Активная электрическая мощность никого особо, кроме электриков, не интересует, поэтому в паспорте или на шильдике устройства пишется номинальная активная мощность, которая поможет выполнить ту или иную работу.

11. cosϕ - коэффициент мощности. Показатель отношения активной мощности к полной. Чем выше cosϕ, тем активная мощность ближе к полной. В рамках данной статьи полная мощность не учитывается.

12. I_т - тепловой ток, А.


13. I_ав - номинальный ток автоматического выключателя, А. Подбирается по условию I_ав ≥ I_т.

14. I_п - пусковой ток, А.


15. I_кн - пусковой ток с учетом надежности автомата, А.


16. I_мс - ток мгновенного срабатывания А.


17. Проверка правильности подбора автоматического выключателя для электродвигателя - I_мс ≥ I_кн.

18. I_тр - ток теплового расцепителя, А.


19. I_к - допустимый длительный ток для проводов, шнуров и кабелей с резиновой или пластмассовой изоляцией, А.

20. Условия подбора сечения проводника: I_ав ≤ I_тр ≤ I_к.

Чтобы было более или менее понятно, рассмотрим реальный пример - это насос погружной Solidpump 150TBS9.

Электродвигатель данного насоса имеет следующие характеристики: Р_н=9 кВт, cosϕ=0,83, η=0,81, N=1500 об/мин (частота вращения), pk=4 (число пар полюсов). N и pk нас не интересует.

Рассчитаем номинальный ток I_н=9/(0,4*0,83*0,81*1,73)=19,345 A [9]. Для подбора номинального тока автоматического выключателя, расположенного в щите, найдем тепловой ток I_т=19,345/0,85=22,759 A [12]. Автомат имеет номинальный ток I_ав=25 A [13].

Автомат мы подобрали, но хотелось бы узнать его ВТХ [7]. Это практически неразрешимая задача, но я покажу, как ее решить. В Интернете Вы нигде не найдете способ решить подобную задачу. Я специально подобрал такой нестандартный для России электродвигатель, с ним вышел некоторый конфуз. В процессе продолжения расчётов я укажу на это. Продолжаем делать расчет с ошибками, а потом я покажу, как правильно.

Пусковой ток I_п=7*22,759=159,313 A [14], здесь главная ошибка (объясню все допущенные ошибки, когда буду приводить правильное решение). Пусковой ток с учетом надежности автомата I_кн=1,4*159,313=223,038 A [15].

Вариант 1. Ток мгновенного срабатывания автомата при K_мр=6 [8], I_мс=25*6=150 A [16]. Нельзя использовать K_мр=5, т.к. принадлежит к ВТХ "В", поэтому возьмем следующую цифру, т.к., если судить по графику из ГОСТ IEC 60898-1-2020, всегда нужно брать коэффициент как можно к ближнему из предела. Проверяем условие правильности подбора автомата I_мс ≥ I_кн, 150 ≥ 223,038. Не получилось!

Вариант 2. Ток мгновенного срабатывания автомата при K_мр=8 [8], I_мс=25*8=200 A [16]. Проверяем условие правильности подбора автомата I_мс ≥ I_кн, 200 ≥ 223,038. Не получилось!

Вариант 3. Ток мгновенного срабатывания автомата при K_мр=10 [8], I_мс=25*10=250 A [16]. Проверяем условие правильности подбора автомата I_мс ≥ I_кн, 250 ≥ 223,038. Получилось! Выбираем ВТХ C, но использовать... с натяжкой.

Вот и конфуз! При K_мр=6 автомат отключится гарантировано и сразу, как требуют нормативно-технические документы, но при K_мр=10 устройство будет думать какое-то время. Указанный ЭД уже идет с гибким медным кабелем питания с резиновой изоляцией, у которого сечение 4 мм². Условие подбора проводника I_ав ≤ I_тр ≤ I_к. [17], поэтому автомат можно было бы подобрать исходя из сечения, т.е. для 4 мм² по таблице 1.3.8 находим ток кабеля 36 A, I_ав=36/1,45=24,828 A. Значит номинальный ток автомата подобран правильно. При эксплуатации, в момент запуска ЭД автомат отключается, характеристика "С" автомата не работает. Нельзя использовать автомат следующей ступени по номинальному ток 32 A, кабель может не выдержать, т.к. 1,45*32=46,4 A, а это по таблице 1.3.8 сечение уже как минимум 6 мм².

По варианту 1 и 2 подбирать автомат нельзя. И по варианту 3 с большой натяжкой, хотя коэффициент К_мр=10 не запрещен для подбора автомата с ВТХ C. И кто сказал, что ВТХ C для защиты электродвигателя не годится? Это рекомендательный характер, поэтому, чем меньше коэффициент мгновенного расцепителя, тем защита точнее. Сборка и настройка автоматов не совсем точная, поэтому К_мр≥8 не следует применять для ВТХ C. И что делать? Как узнать, какой применять коэффициент К_мр Об этом ниже.

Исправим ошибки и рассчитаем коэффициент мгновенного расцепителя, но очень интересным способом. Это мой метод, и я лишь рекомендую его использование, но не настаиваю! Решайте за себя сами! Более подробно о методе Вы можете ознакомиться здесь.

Вернемся к расчету пускового тока. Кто сказал, что у ЭД коэффициент K_п=7, который я применил? Каждый электродвигатель имеет свой пусковой коэффициент и по разным источникам вообще от 3 до 7. Я собрал, что нашел, электродвигатели с их основными характеристиками в таблицу, из которой можно выбрать K_п. И, как Вы поняли, при расчете пускового тока необходимо пользоваться в таблицей, выбирать пусковой коэффициент и относительно его выполнять расчет пускового тока. Ошибка исправлена!

Но такого электродвигателя, как в данном примере, в таблице Вы не найдете. Поэтому оставим пока K_п=7, т.е. I_п=7*22,759=159,313 A [14]. Пусковой ток с учетом надежности автомата I_кн=1,4*159,313=223,038 A [15].

Мой метод подбора K_мр и время-токовой характеристики. Обратите внимание на I_мс ≥ _Iкн. Правильно! Знак больше или равно. Это говорит о том, что I_мс = I_кн, и I_кн нам известно, значит можно найти K_мр, К_мр = K_нр * Iкн / I_ав или K_мр=1,13*223,038/25=8,92. Это значение 8,92 превышает 8, поэтому уже следует применить автомат с характеристикой "D".

Необходимо подобрать проводник питания для нашего ЭД, для которого мы рассчитали его номинальный ток 19,345 A. Частично мы уже говорили об этом, но закрепим пройденный материал.

Рассчитаем ток теплового расцепителя I_тр=1,45*25=36,25 А [18]. Подбираем гибкий кабель с медными жилами в резиновой изоляции [19] по условию подбора [20] из таблицы 1.3.8 Правил устройства электроустановок (ПУЭ) с учетом количества жил 3. Сечение жил кабеля подбирается для участка кабеля от ЭД до автомата (рис. ниже).


Выбор пал на трехжильный гибкий кабель в резиновой изоляции сечением 4 мм². Кстати, насос, который мы рассматриваем, уже укомплектован гибким кабелем с резиновой изоляции и резиновой оболочке сечением 4 мм².

Закрепим сложный материал на примере электродвигателя AИP132S8 с характеристиками: Р_н=4 кВт, cosη=0,73, η=0,81, K_п=6. Сразу проверим, верно ли в таблице указывается номинальный ток 10,3 A.

Р_н=4/(0,4*0,73*0,81*1,73)=9,78 А [9].
Расхождение тока из таблицы 10,3 A с рсчетным 9,78 А имеется в пределах нормы. Какой ток выберете решать Вам. Я сделаю выбор в пользу 10,3 A, который можно было не рассчитывать, а сразу взять из таблицы. Продолжим расчет.
I_т=10,3/0,85=12,12 A [12]. Автомат имеет номинальный ток I_ав=16 A [13].
I_п=12,12*6=72,72 A [14].
I_кн=1,4*72,72=101,808 A [15].
K_мр=101,808/16=6,36. 6,36 меньше 8 и входит в пределы время-токовой характеристики "C".

Дойдем уж до конца и подберем к нему кабель с алюминиевыми жилами с пластмассовой изоляцией.
I_тр=1,45*16=23,2 А [18].
Подбираем кабель с алюминиевыми жилами с пластмассовой изоляцией [19], проложенный в воздухе, по условию подбора [20] из таблицы 1.3.7 ПУЭ с учетом количества жил 3, т.е. сечение составляет 4 мм². Напомню, что участок кабеля от электродвигателя до автоматического выключателя.

Таким нехитрым способом можно рассчитать автоматический выключатель и, очень важно, подобрать характеристику автомата для трехфазного асинхронного электродвигателя. Самое главное, что нужно знать, - пусковой коэффициент (Iп/Iн) или пусковой ток электротехнического устройства.

Надеюсь, что данный материал стал для Вас полезным. В общем, письма с обоснованной критикой или хвалебными одами прошу присылать на мой собачий адрес.