Silniki elektryczne można dziś spotkać w bardzo wielu różnorodnych zastosowaniach przemysłowych i praktycznie są stałym elementem każdego zakładu produkcyjnego, ale również kopalni, elektrowni czy nawet niewielkiego warsztatu. Od ich prawidłowej pracy w bardzo dużym stopniu zależy wydajność danego przedsiębiorstwa, gdyż wszelkiego rodzaju usterki generują dodatkowe koszty (naprawy bądź wymiany silnika) oraz są przyczyną często bardzo kosztownych przestojów w produkcji.

Zwarcia i nie tylko

Najczęstszą przyczyną zakłóceń w pracy silnika elektrycznego są różnego rodzaju zwarcia, będące następstwem m.in. mechanicznego uszkodzenia izolacji obwodu elektrycznego, zniszczenia izolacji w wyniku przeciążeń, a także błędów ludzkich podczas podłączenia poszczególnych elementów w danej instalacji. W efekcie wystąpienia zwarcia może dojść do zniszczenia przewodów elektrycznych, zniszczenia lub skrócenia żywotności silnika, a także pożaru lub porażenia łukiem elektrycznym. Również przeciążenia elektryczne są często występującą grupą zakłóceń w instalacjach elektrycznych. Pojawiają się, gdy przepływający prąd ma większą wartość niż prąd znamionowy danego elementu instalacji (np. przewodu). Zakłócenia w pracy silnika elektrycznego mogą być również spowodowane nienormalnymi stanami pracy w wyniku np. przedłużającego się rozruchu, zbyt częstych rozruchów, asymetrii zasilania, obniżenia i zaników napięcia, nadmiernego wzrostu momentu oporowego, przeciążenia ruchowego czy pracy niepełnofazowej. W ich następstwie mogą wystąpić przede wszystkim przeciążenia cieplne bądź nieprawidłowa praca silnika.

Niezbędne zabezpieczenia

Istniejące ryzyko wystąpienia wyżej wymienionych zakłóceń, a w ich następstwie strat materialnych, jest chyba wystarczającym powodem, dla którego stosowanie odpowiednich urządzeń zabezpieczających jest wręcz niezbędne. Każdy silnik elektryczny powinien być przede wszystkim zabezpieczony przed wystąpieniem zwarć oraz przeciążeń. Warto też stosować zabezpieczenia przed niepełnofazową pracą silnika, nieprawidłowym rozruchem bądź samorozruchem podczas zaniku lub zniżki napięcia.
Duża różnorodność wykorzystywanych silników elektrycznych – zarówno jeśli chodzi o ich rodzaj, konstrukcję, podstawowe parametry techniczne – przekłada się także na szeroką ofertę dostępnych urządzeń zabezpieczających silniki. Dlatego niezwykle ważny jest ich odpowiedni dobór, by zapewniały one optymalną ochronę przed różnymi zagrożeniami. Urządzenia do zabezpieczenia silników elektrycznych bezwzględnie muszą za to spełniać odpowiednie normy dotyczące aparatury i instalacji niskiego napięcie. Istniejące na polskim rynku normy w tym zakresie są zharmonizowane z normami europejskimi.

Wyłącznik nadprądowy

Projektując dowolną instalację elektryczną jednym z pierwszych kroków powinno być zadbanie o właściwe zabezpieczenie przed wystąpieniem zwarć i przeciążeń. Każdy silnik powinien posiadać takie zabezpieczenie oddzielnie lub dla grupy silników. W przypadku wyboru odpowiedniego zabezpieczenia należy pamiętać, aby prąd znamionowy urządzenia zabezpieczającego miał jak najbardziej zbliżoną wartość do prądu znamionowego zabezpieczanego odbiornika. Przy doborze odpowiedniego zabezpieczenia powszechnie stosowane są wyłączniki nadprądowe (nadmiarowo-prądowe), czyli popularne bezpieczniki. Powszechnie spotykane są cztery typy tych wyłączników, różniące się charakterystyką czasowo-prądową. Wyłączniki typu A powodują natychmiastowe rozłącznie obwodu, gdy dojdzie np. do zwarcia, i są obecnie rzadziej spotykana. Pozostałe typy wyłączników nadprądowych działają z pewnym opóźnieniem. Typ B stosowany jest w mieszkaniach do zabezpieczenia urządzeń o niewielkim prądzie rozruchowym, zaś w przemyśle najczęściej wykorzystywany są wyłączniki typu C bądź D (dla urządzeń o zwiększonych lub dużych prądach rozruchowych). Wyłącznikom nadprądowym mogą towarzyszyć tzw. wkładki topikowe (bezpieczniki topikowe), które wkraczają do akcji, gdy wyłącznik nadprądowy z jakich przyczyn nie zareaguje na zwarcie bądź przeciążenie (nastąpi jego zablokowanie). Dobierając odpowiedni bezpiecznik trzeba pamiętać, że w przypadku przepływu prądu o wartości przekraczającej długotrwałą obciążalność prądową przewodów zabezpieczenie powinno zadziałać, zanim nastąpi nadmierny wzrost temperatury żył przewodów.

Wyłącznik różnicowoprądowy

Osobną grupę zabezpieczeń silników elektrycznych stanowią wyłączniki różnicowoprądowe (potocznie zwane też różnicówką), których zadaniem jest ochrona ludzi przed porażeniem bezpośrednim oraz pośrednim, a także przed uszkodzeniem urządzenia oraz przed możliwością powstania pożaru. Urządzenia te rozłączają obwód w momencie wykrycia, że wartość wypływającego prądu nie jest równa wartości prądu wpływającego do danego obwodu – powstająca wówczas różnica tych wielkości (zwana prądem różnicowym) może zgromadzić się np. na obudowie urządzenia i być przyczyną porażenia. Wyłącznik różnicowoprądowy jest stosowany jako dodatkowa ochrona instalacji elektrycznej. Warto też mieć na uwadze, że ten rodzaj wyłącznika w niektórych sytuacjach może nie chronić przed ryzykiem porażenia.

Wyłącznik silnikowy

Ochronę przed przeciążeniami oraz zwarciami zapewnia także wyłącznik silnikowy, jednak jego rola może być znacznie szersza i może być on stosowany także do ochrony silnika elektrycznego przed innymi potencjalnymi zakłóceniami, w tym np. zanikiem fazy. Wyłączniki te pozwalają także na ręczne włączenie/wyłączenie silnika. Są one szczególnie wskazane w sytuacjach dużego prądu rozruchowego.

Zaletą tego zabezpieczenia jest szybkie odcięcie zasilania w momencie wykrycia prądu przeciążeniowego bądź zwarciowego – silnik zostaje wyłączony w ciągu kilku milisekund. Standardowy wyłącznik silnikowy posiada wyzwalacz elektromagnetyczny, który reaguje na wystąpienie zwarcia, oraz wyzwalacz termiczny (tzw. termik), który z kolei zapewnia wyłączenie obwodu w momencie wykrycia przeciążenia. Rolą termika jest także reagowanie w przypadku zaniku jednej fazy w sieciach trójfazowych. Przy doborze tego urządzenia należy pamiętać, by jego prąd znamionowy nie był mniejszy od prądu znamionowego silnika pracującego w normalnych warunkach.

Dodatkowe zabezpieczenia

Rolę zabezpieczenia silnika elektrycznego może pełnić również stycznik, działający na podobnej zasadzie jak przekaźnik. W zależności od występowania określonych warunków włącza lub wyłącza on zasilanie w obwodzie elektrycznym. Kolejnym rodzajem zabezpieczenia mogą być czujniki (detektory) zaniku faz. W przypadku silnika elektrycznego trójfazowego brak jednej fazy uniemożliwi uruchomienie silnika, a gdy nastąpi to już w czasie pracy silnika – spowoduje to nagły spadek jego mocy i przeciążenie dwóch pozostałych faz i przegrzanie, a nawet spalenie uzwojenia. Czujnik kolejności faz z kolei rozłączy obwód nie tylko w przypadku braku jednej z faz, ale również, gdy ich kolejność jest nieprawidłowa.

W sytuacjach, gdy nie jest wskazany samoczynny start silnika np. po załączeniu zasilania, stosuje się zabezpieczenie zanikowe, które jest połączone np. z wyłącznikiem silnika. W przypadku zaniku zasilania ponowny start wymaga zaangażowania operatora. Ten rodzaj zabezpieczenia jest wymagany, gdy samoczynne uruchomienie silnika może spowodować zagrożenie dla przebywających w pobliżu osób.

Wymienione wyżej rodzaje zabezpieczeń silnika elektrycznego są najczęściej stosowane w aplikacjach przemysłowych, choć z całą pewnością nie wyczerpują całkowicie tego tematu. W napędach pracujących w specyficznych warunkach bądź wysoce wyspecjalizowanych czy też o wyjątkowej mocy niezbędne może być użycie zabezpieczenia skrojonego specjalnie pod daną sytuację. Nowym trendem w tym obszarze są także wielofunkcyjne urządzenia zabezpieczające, które chronią silniki elektryczne przed wieloma rodzajami zakłóceń.

-------------------
Literatura:
1. G. Woźniak, K. Górski: Dobór zabezpieczeń silników niskiego napięcia
2. J. Żydanowicz, M. Namiotkiewicz: Automatyka zabezpieczeniowa w elektroenergetyce
3. Materiały firm Astat, Schneider Electric