ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8
ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕЦИАЛЬНЫХ ВИДОВ ЗАЩИТ ОТ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
Цель работы: исследовать процесс функционирования и эксплуатационно-технические характеристики температурной защиты УВТЗ; фазочувствительной защиты типа ФУЗ.
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Принцип работы и устройство защиты УВТЗ
Защита УВТЗ-1 (рисунок 1) состоит из токового ключа, выполненного на транзисторах VТ1 и VТ2; исполнительного реле К2; тиристора VD7; узла питания, состоящего из диодного мостика и токоограничивающего сопротивления R2, фильтра R1, С1, стабилитрона VD5, делителя напряжений R3, R4 и R6, Rt; позисторов (Rt) типа СТ-14-1 А или СТ-14-1Б, которые встраиваются в лобовые части обмоток двигателя; диода VD6, служащего для снятия перенапряжений с катушки реле К2 и для создания небольшой выдержки времени в момент отключения защиты; сопротивлений R5 и R7.
Принцип работы защиты состоит в следующем. При нормальной температуре обмоток двигателя сопротивление позисторов Rt мало (порядка 200Ом), то есть меньше сопротивления R6. В этом случае на базу транзистора VТ2 будет подан отрицательный потенциал, и транзистор будет открыт. По цепи R5, "эмиттер-коллектор-V2Т", R7 будет протекать ток. На сопротивлении R7 создается падение напряжения, достаточное для открытия тиристора VD7. По цепи катушки К2 будет протекать ток и контакты реле К2:2 будут замкнуты в цепи катушки магнитного пускателя К1. При нажатии кнопки SВ2 двигатель будет работать. Транзистор VТ1 при этом будет закрыт из-за недостаточно большого потенциала на эмиттере VТ1.
При увеличении температуры обмотки до (90-100) 0С сопротивление позисторов Rt резко увеличивается, что приводит к изменению потенциала на базе транзистора VТ2, он становится более положительным. Транзистор VТ2 закрывается и ток в цепи транзистора уменьшается, что приводит к уменьшению напряжения на управляющем электроде тиристора VD7, и он закрывается. Ток в цепи реле К2 уменьшается и реле отключается, разрывая своими контактами цепь катушки магнитного пускателя. Двигатель отключается от сети. При закрытии транзистора VТ2. транзистор VТ1 открывается, так как уменьшение тока в цепи транзистора VТ2 приводит к уменьшению падения напряжения на сопротивлении R5 и потенциал на эмиттере VТ1 резко увеличивается, вследствие чего и увеличивается разность потенциалов между базой и эмиттером транзистора VТ1, и он открывается. Ток будет протекать по цепи R5, "эмиттер-коллектор" транзистора VТ1. Этим самым обеспечивается надежность работы транзистора VТ2.
При обрыве в цепи термодатчика на базу транзистора VТ2 будет по дан положительный потенциал и защита отключается. При коротком замыкании в цепи термодатчика на базу транзистора VТ2 будет подан большой отрицательный потенциал, и транзистор VТ2 будет открыт. Однако ток через транзистор VТ2 будет протекать не по цепи "эмиттер-коллектор", а по цепи "эмиттер-база", так как разность потенциалов между базой и эмиттером VТ2 будет больше. Через сопротивление R7 будет протекать небольшой ток, недостаточный для открытия транзистора. И защита отключает двигатель от сети.
Четкость срабатывания защиты во многом зависит от характеристики датчиков. Для универсальной встроенной температурной защиты “УВТЗ” в качестве термочувствительных датчиков используются позисторы СТ – 14 – 1А и СТ- 14 1Б с положительной температурной характеристикой, то есть с увеличением температуры сопротивление термодатчика увеличивается. В диапазоне температур (60–100)0С наблюдается значительное увеличение сопротивления (в несколько раз), что дает возможность создать релейный эффект при срабатывании защиты.
Принцип работы и устройство защиты ФУЗ
Угол сдвига фаз между токами в трехфазной сети в нормальных условиях равен 1200, а при обрыве одной из фаз в исправных фазах угол сдвига становится равным 1800. Таким образом, если контролировать изменение угла сдвига фаз между токами нагрузки электродвигателя, то его можно защитить, от основного аварийного режима - обрыва фазы. Устройства защиты, реагирующие на изменение угла сдвига фаз между токами нагрузки электродвигателя, называются фазочувствительными устройствами защиты (ФУЗ), а специальные трансформаторы тока, формирующие из трехфазных токов нагрузки измеряемые напряжения U1, и U2 с определенным углом сдвига ψ, - фазовращающими трансформаторами тока.
Угол сдвига между векторами токов нагрузки с помощью трансформаторов тока контролируется следующим образом.
Из трех фазных токов – IА, IB, IC питания электродвигателя можно формировать измеряемые напряжения U1, U2 методом трех, двух и одного фазовращающих трансформаторов тока. На рисунке 2 показан наиболее распространенный вариант формирования напряжений U1 и U2 с использованием двух фазовращающих трансформаторов тока. Каждый трансформатор тока имеет две первичные токовые обмотки с различным числом витков w1 и w2, включаемые в разные фазы питания электродвигателя, причем навстречу одна другой (начальные концы соответствующих обмоток на рисунке обозначены черной точкой).
Таким образом, в сердечнике трансформатора Т1 суммируются магнитные потоки, создаваемые токами фаз А и В.
Рисунок 2 – Электрическая схема ФУЗ
Магнитные потоки  и  пропорциональны току нагрузки электродвигателя и числу первичных витков W1 и W2. Суммарный магнитный поток  , в сердечнике трансформатора Т1 равен геометрической сумме магнитных потоков, создаваемых токами фаз А и В (рисунок 3).
Рисунок 3 - Векторная диаграмма магнитных потоков
Аналогично токам фаз В и С создается магнитный поток Ф1 в сердечнике трансформатора T2.
 =  +
Из векторной диаграммы видно, что суммарные магнитные потоки взаимно сдвинуты на определенный угол по фазе ψ, который зависит от отношения числа первичных витков w1/w2 трансформаторов тока. Из векторной диаграммы видно, что
Ψ = 1200 - 2α,
где
α = arctg .
Следовательно, изменяя число первичных витков трансформаторов тока так, чтобы менялось и соотношение, можно изменять суммарные магнитные потоки и и угол сдвига между ними.
Суммарные магнитные потоки и создают во вторичных обмотках трансформаторов тока пропорциональные им измеряемые напряжения U1 и U2 и с таким же углом сдвига по фазе Ψ (для упрощения векторной диаграммы на рисунке 3 векторы и  , а также и  совмещены).
Суммарные магнитные потоки определяют путем геометрического сложения:
где: К - коэффициент пропорциональности;
 - ток нагрузки двигателя;
wП - приведенное число первичных витков трансформаторов тока, определяющее суммарные магнитные потоки.
Изменением числа первичных витков трансформаторов тока w1 и w2 можно получить Ψ = 900 ± 20. То есть, изменяя число витков w1 и w2, можно менять чувствительность защиты, оставляя без изменения его фазовую характеристику.
Отношение числа витков первичных (токовых) обмоток ФТП в устройствах ФУЗ - М выбрано w1/w2 = 1/3.
Напряжения (и ) со вторичных обмоток трансформаторов токов подаются на кольцевой детектор, который состоит из последовательно соединенных диодов (VD1...VD4) и балластных сопротивлений (R1...R4). При равенстве напряжения и и угла сдвига Ψ = 900, ток через кольцевой детектор протекать не будет и реле К1 обесточено.
При обрыве любой фазы нарушается рассмотренная система образования измеряемых напряжений и , меняются их числовые значения и угол сдвига фаз Ψ, который становится равным 00 или 1800 (в зависимости от того, в которой фазе произошел обрыв). На выходе фазового детектора с косинусной характеристикой появляется большое напряжение (ток), и реле защиты срабатывает. Если электродвигатель не запускается•или заклинивается во время работы, то токи нагрузки электродвигателя, следовательно, и измеряемые напряжения и также увеличиваются. Ток в катушке реле К1 возрастает и становится больше тока притягивания реле IРП.
На рисунке 4 представлены фазовые характеристики защиты, которые показывают изменения тока в катушке при изменении угла Ψ. На характеристике точки 5 и 6 соответствуют обрыву фаз при пуске, 3 и 4 - обрыв фазы при работе двигателя под нагрузкой, точка 1 - при заклинивании ротора двигателя.
Для защиты электродвигателей от перегрузки в защите ФУЗ - М предусмотрена специальная схема контроля перегрузки. (Рисунок 5). Схема контроля перегрузки состоит из регулируемого тиристорного выпрямителя (VD6, R5, R6, R7), зарядно-разрядной цепи (R8, R9), накопительного конденсатора С1, порогового элемента - тиристора VТ8 со стабилитроном VD7, режимных резисторов R10...R12 и шунтирующего тиристора VТ5.
Рисунок 4 – Фазовые характеристики IP = f(Ψ)
Схема контроля перегрузки работает следующим образом. При нормальной нагрузке электродвигателя напряжения на конденсаторе С1 нет, так как тиристор VD6 закрыт. При перегрузках напряжение U2, которое пропорционально токам нагрузки двух фаз, увеличивается, тиристор VD6 пропускает ток и конденсатор С1 заряжается. Зарядка конденсатора происходит с задержкой во времени, что обеспечивается зарядным резистором R8. Если перегрузка длительна, конденсатор заряжается до напряжения включения стабилитрона VD7, тиристор VТ8 через ограничивающий резистор R11 открывает тиристор VТ5. Таким образом, балластный резистор R4 шунтируется малым сопротивлением открытого тиристора. Кольцевой детектор сильно разбалансирован, и вследствие этого через кольцевой детектор будет протекать ток, который способствует срабатыванию реле.
Контакты К1:1 реле К разрывают цепь управления магнитным пускателем. Двигатель отключается от сети. Уставка тока срабатывания при перегрузках устанавливается потенциометром R6.
После кратковременной перегрузки избыток заряда конденсатора С1 стекает через резисторы R8, R9 и схема контроля перегрузки не срабатывает. При заклиненном электродвигателе, когда напряжение U2 резко возрастает, конденсатор С1 быстро заряжается, и через 5...6 секунд защита срабатывает.
Таким образом, ФУЗ-М защищает электродвигатель от неполнофазного режима, заклинивания (незапускания) и от любых ранее установленных перегрузок с заданной выдержкой времени, то есть от основных аварийных режимов.
Рисунок 5 – Принципиальная схема и схема включения защиты ФУЗ - М
Таблица 1 - Основные параметры модернизированного фазочувствительного устройства защиты ФУЗ - М
Наименование
показателей
|
Значение показателей устройства
|
ФУЗ-1М
|
ФУЗ-2М
|
ФУЗ-3М
|
ФУЗ-4М
|
ФУЗ-5М
|
Диапазоны рабочего
тока, А
|
1…2
|
2…4
|
4…8
|
8…16
|
16…32
|
Ток срабатывания при обрыве фаз, А, не более
|
1
|
2
|
4
|
8
|
16
|
Время срабатывания при обрыве фаз, с, не более
|
0,1
|
0,1
|
0,1
|
0,1
|
0,1
|
Время срабатывания при перегрузке (1,5IH), с, не более
|
30 - 50
|
30 - 50
|
30 - 50
|
30 - 50
|
30 - 50
|
Время срабатывания при перегрузке (7,5IH), с, не более
|
6 - 10
|
6 - 10
|
6 - 10
|
6 - 10
|
6 - 10
|
Разброс тока срабатывания, %, не более
|
10
|
10
|
10
|
10
|
10
|
Рабочее напряжение, В
|
380
|
380
|
380
|
380
|
380
|
Потребляемая мощность, Вт, не более
|
5
|
5
|
5
|
5
|
5
|
ОБОРУДОВАНИЕ РАБОЧЕГО МЕСТА
На рабочем месте находятся:
комплект защиты УВТЗ-1;
комплект защиты ФУЗ-М3;
панель с измерительными приборами и аппаратами пуска;
позисторы СТ-14-1А;
колба с трансформаторным маслом;
мост постоянного тока Р333;
термометр ртутный;
магазин сопротивлений;
комплект измерительный К505;
набор проводников и кабелей;
электромашинный агрегат (трехфазный асинхронный электродвигатель и генератор постоянного тока).
ПРОГРАММА РАБОТЫ
1. Изучить принцип работы и устройство температурной защиты типа УВТЗ.
2. Снять зависимость сопротивления позистора от температуры.
3. Определить сопротивление срабатывания и коэффициент возврата защиты при изменении напряжения питания от 0,8 до 1,1UH.
4. Собрать схему защиты и проверить четкость срабатывания при обрыве и коротком замыкании в цепи термодатчика.
5. Изучить принцип работы и устройство фазочувствительной защиты типа ФУЗ.
6. Собрать схему испытания защиты.
7. Снять зависимости входных сигналов трансформаторов тока от тока нагрузки, и при обрыве фазы.
8. Снять токовременную характеристику защиты в зависимости от тока нагрузки. Проверить четкость срабатывания защиты при перегрузках, и обрыве фазы двигателя.
Замерить время срабатывания защиты.
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ
1. Снятие зависимости сопротивления позисторов от температуры проводить в следующем порядке:
- опустить термодатчики в колбу с трансформаторным маслом и нагреть их;
- сопротивление термодатчиков измерить мостом постоянного тока (типа РЗЗЗ), температуру масла - ртутным термометром;
- построить зависимость RТ = f(t).
Данные опыта занести в таблицу 2.
Таблица 2 - Снятие характеристики термодатчиков типа СТ-14
t0
|
0C
|
20
|
30
|
40
|
50
|
60
|
70
|
80
|
90
|
100
|
…
|
150
|
RT
|
Oм
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2. Для определения сопротивления термодатчика, при котором срабатывает защита, собрать схему согласно рисунку 6.
Рисунок 6 – Схема для определения сопротивления срабатывания и коэффициента возврата защиты
На зажимах 5 и 6 защиты взамен термодатчиков подключить магазин сопротивлений (МС).
3. Определить уставку сопротивления срабатывания (Rср), для чего:
- установить в цепи термодатчика сопротивление 200Ом;
- автотрансформатором (рисунок 6) установить напряжение 220В;
- кнопкой "SB2" включить защиту, при этом должна загореться сигнальная лампа "НL1";
- постепенно увеличивать сопротивление в цепи термодатчика до отключения защиты, зафиксировать то значение сопротивления, при котором защита отключается/
4. Определить сопротивление возврата (Rв), для чего:
- установить в цепи термодатчика максимальное значение сопротивления (верхний предал магазина сопротивления);
- нажать кнопку "SВ2" и постепенно установить сопротивление магазина до включения пускателя, оно и будет равно сопротивлению возврата - Rв.
5. Определить значение коэффициента возврата Кв по формуле:
КВ = RB/RCP
где: Rср - сопротивление термодатчика, при котором защита отключается, Ом;
Rв - сопротивление термодатчика при котором возможно повторно включение защиты, Ом.
Коэффициент возврата характеризует точность срабатывания защиты.
Результаты опытов занести в таблицу 3.
Таблица 3 - Определение сопротивления срабатывания и коэффициента возврата защиты УВТЗ - 1
U = 0,8UH
|
U = UH
|
U = 1,1UH
|
Температура срабатывания защиты
|
RCP
|
RB
|
KB
|
RCP
|
RB
|
KB
|
RCP
|
RB
|
KB
|
Ом
|
Ом
|
-
|
Ом
|
Ом
|
-
|
Ом
|
Ом
|
-
|
0С
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6. Изучить Принципиальную схему УВТЗ-1 по литературе (1) и по методическим указаниям (раздел "Общие теоретические сведения").
- собрать схему включения согласно рисунку 1;
- опустить термодатчик в колбу с трансформаторным маслом;
- кнопкой "SВ2" включить электродвигатель в сеть;
- нагревая трансформаторное масло, определить по термометру температуру термодатчиков, при которой асинхронный электродвигатель отключится от сети;
- температуру, при которой срабатывает защита, занести в таблицу 3.
7. Проверить работу защиты в зависимости от исправности термодатчика, для чего:
- тумблером "SА1" замкнуть накоротко клеммы 5 и 6 (или разорвать тумблером "SА2" цепь термодатчика);
- защита должна отключаться от сети.
8. При испытании защиты типа ФУЗ:
- изучить принципиальную схему включения защиты по литературе (1) и по методическим указаниям;
- выяснить отличительные особенности принципа работы ФУЗ от других видов защит;
- собрать схему испытания защиты согласно рисунку 5.
9. Снять зависимость U1, U2, U3 = f(I) для чего:
- ручкой потенциометра "Возбуждение" менять нагрузку на валу электродвигателя в пределах 0,4РН…1РН;
- замерить U1, U2, U3 при различных токах по фазам (IA, IB, IC);
- результаты замеров занести в таблицу 4;
- угол сдвига между векторами напряжений U1, U2, U3 измерять фазометром типа ВАФ.
10. Снять зависимости напряжений U1, U2, U3 при обрыве фазы, для чего:
- замкнуть накоротко контакты К1:1;
- однополюсными автоматами поочередно разрывать цепи фаз (А, затем В и С);
- данные опытов занести в таблицу 4
Таблица 4 - Снятие характеристик фазочувствительных трансформаторов тока
Режим работы электроустановки
|
№
п.п.
|
I
|
I
|
I
|
U
|
U
|
U
|
Ψ
|
A
|
A
|
A
|
B
|
B
|
B
|
град.
|
Переменная нагрузка
|
1
2
3
4
5
6
|
|
|
|
|
|
|
|
Обрыв фазы
|
А
В
С
|
UA
|
UB
|
UC
|
U1
|
U2
|
U3
|
Ψ
|
B
|
B
|
B
|
B
|
B
|
B
|
град.
|
|
|
|
|
|
|
|
11. По данным таблицы построить зависимости U1, U2, U3 = f(I).
12. Снять токовременную характеристику защиты - tCP = (I/IH) для чего:
- кнопкой -"SВ2" включить электродвигатель в сеть;
- рукояткой потенциометра "Возбуждение" установить ток двигателя больше тока уставки защиты (IДВ = 1,25IУСТ);
- отключить двигатель от сети;
- включить секундомер одновременно, с двигателем, замерить время срабатывания защиты;
- установить кратность тока срабатывания 1,5 IУСТ и повторить опыт.
Данные занести в таблицу 5
Таблица 5 Токовременная характеристика защиты ФУЗ
Кратность тока
|
1,25
|
1,5
|
1,75
|
2
|
2,25
|
2,5
|
2,75
|
3
|
Величина тока, А
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Время срабатывания, с
|
|
|
|
|
|
|
|
|
13. По данным таблицы построить зависимость t = f(I/IУСТ).
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Отчет должен содержать:
- наименование лабораторной работы и ее цель;
- краткий конспект раздела "Общие теоретические сведения";
- электрические схемы;
- результаты исследования (таблицы, графические зависимости), анализ полученных таблиц и зависимостей;
- выводы о проделанной работе.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
Принцип работы и устройство защиты УВТЗ.
Назначение защиты УВТЗ.
Принцип работы и устройство защиты ФУЗ.
Назначение защиты ФУЗ.
Отличительные особенности применения защит ФУЗ и УВТЗ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Грундулис А.О. Защита электродвигателей в сельском хозяйстве. - М.: Колос, 1982.
2. Мусин А.М. Аварийные режимы асинхронных электродвигателей и способы их защиты. - М.: Колос, 1979.
3. Пястолов А.А. и др. Практикум по монтажу, эксплуатации и ремонту электрооборудования. - М.: Колос, 1976.
|
