Лабораторная работа № 15
Управление и защита асинхронных двигателей напряжением до 1000 В
1.Цель работы:
Изучение принципов выполнения электрических схем и устройств, применяемых для управления и защиты двигателей переменного тока напряжением до 1000 В.
Краткие теоретические сведения
2.1. Виды повреждений и ненормальных режимов асинхронных двигателей напряжением до 1000 В. Основными видами повреждений электродвигателей переменного тока являются многофазные КЗ в обмотках статора, однофазные замыкания обмотки статора на землю, замыкания части витков в одной фазе обмотки статора.
Защита от многофазных КЗ устанавливается на всех двигателях и действует без выдержки времени на отключение их от сети.
Для защиты от однофазных замыканий устанавливают защиту нулевой
последовательности.
Основным видом ненормального режима электродвигателей является прохождение в статоре токов, превышающих номинальный.
Защита от перегрузки должна действовать на отключение, но с выдержкой времени, достаточной для пуска двигателя.
Для обеспечения самозапуска двигателей ответственных механизмов и предотвращения несинхронного включения после действия АПВ и АВР применяется защита от потери питания, в качестве которой используется минимальная защита напряжения, которая действует на отключение электродвигателей.
Функции защиты от обрыва фазы часто возлагается на защиту от перегрузок. Однако в ряде случаев предусматривается специальная защита от неполнофазного режима работы электродвигателя.
2.2. Защита от КЗ в обмотках статора с помощью предохранителей и автоматических выключателей. Защита от многофазных КЗ устанавливается на всех электродвигателях и действует без выдержки времени на отключение двигателя от сети.
Для двигателей напряжением до 1000 В используются плавкие предохранители, а также электромагнитные и тепловые расцепители автоматических выключателей и тепловые реле магнитных пускателей.
Наиболее простой является защита плавкими предохранителями. При выборе предохранителя должны учитываться условия:
Uпр.ном. = Uсети, Iпр.откл. = IКЗ.мак,
а его плавкая вставка выбирается с учетом:
1 условие: Iвс.ном. = К зап I раб.макс.
2 условие: Iвс.ном. = Iпер. / К пер.
3 условие: Iвс.ном. = Iк.з. / 10-15,
где I раб.макс. - максимальный рабочий ток, проходящий через предохранитель, К зап = 1,1...1,25 - коэффициент запаса.
Выбор автоматов производится с соблюдением следующих требований:
1.Номинальное напряжение автомата Uа.ном должно быть не ниже напряжения сети, а отключающая способность должна быть больше максимального тока КЗ, проходящего по защищаемому объекту.
2. Номинальный ток расцепителя Iрасц.ном. следует выбирать не менее расчетного тока нагрузки Iрасч., который представляет собой наибольшее значение тока, длительно протекающего по защищаемому объекту с учетом возможной перегрузки, для чего должно быть выполнено условие:
I уст.расц. = (1,3-1,5 Iрасч.)
3. Автомат не должен отключаться при кратковременных перегрузках защищаемого элемента, что обеспечивается при выборе тока уставки мгновенного срабатывания электромагнитного расцепителя, осуществляющего защиту от КЗ Iуст.к.з. по выражению:
Iуст.к.з. = (1,5...1,8) Iпер.
В качестве расчетного тока Iрасч. при выборе автоматов и предохранителей принимают номинальный ток двигателя Iдв.ном. с учетом необходимости отстройки от токов допускаемой кратковременной перегрузки, токов пуска и самозапуска.
Автоматические выключатели могут снабжаться термическим и электромагнитным расцепителями максимального тока. Встроенный тепловой расцепитель обеспечивает отключение при перегрузках с зависимой от тока выдержкой времени. Электромагнитный расцепитель позволяет отключить электродвигатель при КЗ с независимой от тока выдержкой времени.
2.3. Защита двигателей от перегрузки с помощью тепловых реле. Защита от потери питания выполняется обычно групповой (один комплект на несколько присоединений) и действует на отключение двигателей. Применительно к электродвигателям до 1000 В минимальную защиту напряжения двигателей реализуют с помощью магнитного пускателя с удерживающей обмоткой, подключенной к силовой сети (рис.15.3). Контактор отключает двигатель от сети, если напряжение на его зажимах снижается до значения (0,4-0,5) Uном.
Защита от перегрузки АД напряжением ниже 1000 В выполняется токовой, тепловой или температурной (реагирует на повышение температуры обмотки или других активных частей двигателя).
Защита может выполняться автоматическими выключателями или с помощью реле косвенного действия - тепловых, электромагнитных, полупроводниковых.
Магнитный пускатель содержит три или два тепловых реле KST (рис.15.2), которые отключают двигатель в зависимости от количества тепла, выделенного в тепловых реле. Применяют тепловые реле KST типа ТРН, которые встраиваются в магнитные пускатели.
Защита от перегрузки действует на сигнал или на разгрузку приводимого механизма, либо на отключение двигателей с тяжелыми условиями пуска и самопуска.
Номинальный ток теплового реле и его сменного нагревателя для защиты двигателей до 1000 В выбирают из условия:
Iр.норм.=Iдв.пуск./KI.
Рис.15.2. Схема защиты асинхронного двигателя напряжением до 1000 В с магнитным пускателем от перегрузки с тремя тепловыми реле (а) и с двумя тепловыми реле (б) и схема включения реле KU от обрыва фазы (б).
При КЗ в двигателе нагреватель может перегореть раньше, чем реле отключит двигатель. Поэтому тепловые реле применяются только при наличии быстродействующей защиты от КЗ (в данном случае автоматическими выключателями или плавкими предохранителями).
2.4.Защита двигателей от перегрузки с помощью реле обрыва фазы. Для двигателей, защищаемых от КЗ предохранителями применяют реле обрыва фазы (реле КU на рис.15.4,б), которое своими контактами разрывает цепь самоудерживания пускателя при перегорании предохранителей.
На рис.15.3 показана принципиальная схема реле обрыва фаз типа Е-511. Конструкция Е-511 включает активно-емкостной фильтр напряжения обратной последовательности, а также реле напряжения КV1 (основное) и KV2 (вспомогательное). Реле нормально работает при изменении напряжения сети от 0.85 до 1.1 Uном.
Рис.15.3. Схема реле обрыва фаз типа Е-511.
При включении реле в сеть должна соблюдаться правильность порядка чередования фаз. Фазы А,В,С трехфазной системы должны быть подключены соответственно к зажимам 2,4,6. В этом случае при симметрии напряжений будет замкнут замыкающий контакт КV1.1. Размыкающий контакт реле, включенный на сигнал или на отключение, будет разомкнут.
Схема подключения реле обрыва фаз типа Е-511 приведена на рис. 15.2,б
2.5. Защита двигателей от перегрузки с помощью устройства встроенной температурной защиты. Устройство встроенной температурной защиты типа УВТЗ-1 предназначено для предотвращения чрезмерного перегрева статорных обмоток асинхронных двигателей, работающих в помещениях и на открытом воздухе. Работают совместно с любыми магнитными пускателями в сетях напряжением 220/380 В.
Принципиальная схема УВТЗ-1 приведена на рис.15.4. Устройство защиты состоит из токового ключа, выполненного на транзисторах Т1 и Т2, исполнительного реле Р, управляемого тиристором Д7 и узла питания, состоящего из диодного моста Д1-Д4, стабилитрона Д5, конденсатора С1 для ограничения тока в цепи питания, резисторов R1 и R2 для ограничения тока в цепи стабилитрона Д5 в момент включения устройств защиты и разрядки конденсатора при отключении. Токовый ключ состоит из транзисторов Т1 и Т2 и резисторов R3-R6. Резисторы R3, R4 и R6 совместно с сопротивлением термодатчиков, подключаемых через клеммы 5 и 6 в цепь базы транзистора Т2, образуют делители напряжения, определяющие сопротивление срабатывания устройств защиты. Нагрузкой транзистора Т2 является управляющий переход тиристора Д7.
Рис.15.4. Принципиальная схема устройства встроенной температурной защиты типа УВТЗ-1
Схема подключения устройства показана на рис.15.5. При нажатии кнопки "Пуск" подается напряжение питания на клеммы 1 и 4.
Рис. 15.5. Схема включения УВТЗ-1.
Если температура обмотки электродвигателя ниже рабочей температуры термодатчиков, то их сопротивление менее сопротивления срабатывания.
В этом случае транзистор Т1 закрыт, а транзистор Т2 открыт. Ток протекает через транзистор Т2 и управляющий переход тиристора Д7. Тиристор и реле включаются, контакты реле замыкают цепь катушки магнитного пускателя, на электродвигатель подается напряжение. При увеличении температуры обмотки сверх предельно допустимого значения сопротивление термодатчиков резко возрастает до величины, при которой происходит запирание транзистора Т2 и включение транзистора Т1. Управляющий переход тиристора Д7 обесточивается, реле реле Р отключается, разрывая цепь катушки магнитного пускателя и отключая электродвигатель от сети.
2.6. Защита от однофазных замыканий обмоток статора на землю. В сетях и электроустановках до 1000 В с глухозаземленной нейтралью с целью обеспечения электробезопасности при замыканиях на землю применяют защитные отключающие устройства (УЗО). Защитным отключением называется автоматическое отключение всех фаз участка сети, обеспечивающее безопасное для человека сочетание значений тока и времени его протекания при замыканиях на корпус или снижение сопротивления изоляции ниже определенного значения.
УЗО предназначены для защиты людей и животных. Они позволяют за время до 0,1 с. автоматически отключить поврежденный участок сети при появлении тока утечки с электроустановок большего, чем уставка устройства по току срабатывания, т.е. при замыкании на корпус или на землю, прикосновении к токоведущей части, находящейся под напряжением, снижением сопротивления изоляции электрооборудования ниже опасного уровня.
Рис.15.6. Схема включения и испытания устройства защитного отключения (УЗО). 1 – кнопка «контроль»; АД – асинхронный двигатель; Т – тумблер включения цепи испытания; мА – миллиамперметр (0 – 50 мА); ТАО – трансформатор тока нулевой последовательности; R1 – регулировочный резистор