Электрические машины

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

• Вопрос 1. Перенапряжения в трансформаторах
• Вопрос 2. Пуск асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором
• Вопрос 3. Реле тепловой защиты
• Задача
• Список литературы

Вопрос 1. Перенапряжения в трансформаторах

В нормальных условиях эксплуатации трансформатора между отдельными частями его обмоток, а так же между обмотками и заземлённым магнитопроводом и корпусом действуют синусоидальные напряжения номинальной частоты, не представляющие опасности для электрической изоляции.

Но иногда возникают условия, при которых между указанными элементами трансформатора появляются перенапряжения, которые разделяются на два вида: внутренние и внешние.

Внутренние перенапряжения возникают либо в процессе коммутационных операций, например отключения или включения трансформатора, либо в результате аварийных процессов (короткое замыкание, дуговые замыкания на землю и др.). Значение внутреннего перенапряжения обычно составляет (2,5 3,5)UНОМ.

Внешние (атмосферные) перенапряжения обусловлены атмосферными разрядами: либо прямыми ударами молний в провода или опоры линий электропередач, либо грозовыми разрядами, индуцирующими в проводах линии электромагнитные волны высокого напряжения.

Значение перенапряжения в этом случае может достигать нескольких тысяч киловольт.

Рис. 1. Схемы замещения обмоток трансформатора

На процессы, происходящие в трансформаторе при перенапряжениях, существенное влияние оказывает скорость нарастания волны напряжения. При подходе волны напряжения к трансформатору напряжение между зажимом обмотки и землей нарастает весьма быстро. При этом скорость нарастания напряжения в значительной степени влияет на вид схемы замещения обмотки. При напряжении промышленной частоты схема замещения обмотки имеет вид ряда после последовательно соединенных индуктивных и активных сопротивлений элементов этой обмотки (рис. 1, а).

При подходе к трансформатору периодической волны перенапряжения, вызванной коммутационными процессами, скорость нарастания напряжения настолько увеличивается, что на процессы, происходящие в трансформаторе, оказывают влияние емкостные связи между элементами обмотки и между обмоткой и заземлённым магнитопроводом (рис. 1, б).

При атмосферных перенапряжениях, когда к трансформатору устремляется апериодический импульс с крутым передним фронтом ПФ, при котором напряжение между вводом трансформатора и землей достигает наибольшего значения за (1-2)Ч10-6 с, индуктивные сопротивления в схеме замещения становятся настолько большими, что их влиянием можно пренебречь и считать схему замещения обмотки состоящей только из поперечных емкостей между элементом обмотки и магнитопроводом (землей) Сq и продольных емкостей между смежными элементами обмотки Cd (рис. 1, в).

Рис. 2. Перенапряжение в виде импульса

Рассмотрим процессы в трансформаторе при атмосферных перенапряжениях. Обмотка в этом случае по отношению к быстро нарастающему напряжению представляет собой некоторую входную емкость СВХ, которая обусловливает входное (емкостное) сопротивление трансформатора хвх.

В начальный момент подхода волны, когда скорость нарастания напряжения огромна (du/dt ), входное сопротивление практически равно нулю (хвх0), т. е. трансформатор эквивалентен короткозамкнутому концу линии передачи. При этом напряжение на входе трансформатора сначала падает до нуля, затем, по мере зарядки емкости СВХ, повышается и достигает двукратной величины амплитуды импульса, а волна напряжения отражается от трансформатора.

В этот период трансформатор эквивалентен разомкнутому концу линии передачи. Напряжение, возникающее между обмоткой и магнитопроводом (землей), создает токи через поперечные емкости Cq, при этом токи в продольных емкостях Сd по мере приближения к концу обмотки уменьшаются. Это приводит к неравномерному распределению напряжения вдоль обмотки. Характер начального распределения напряжения вдоль обмотки зависит от двух причин: от состояния нейтральной точки трансформатора и от соотношения емкостей Сq и Cd, определяемого коэффициентом: б =v(Cq/Cd)

Рис.3. Подход (а) и отражение (б) волны напряжения при атмосферном перенапряжении трансформатора

При ? 5, что соответствует реальным трансформаторам, начальное распределение напряжения не зависит от состояния нейтральной точки и весьма неравномерно, достигая максимального значения на начальных элементах обмотки. Это создает опасность для изоляции между начальными элементами обмотки. При уменьшении б распределение напряжения вдоль обмотки становится более равномерным, особенно при заземленной нейтрали, хотя наибольшее значение напряжения остается неизменным

Через некоторое время после подхода волны к обмотке все обмотки приобретут установившийся потенциал.

При распределении напряжения вдоль обмотки, называемое конечным, будет соответствовать кривым при = 0.

Рис.4. Начальное распределение напряжения по длине обмотки при заземлённой (а) и изолированной (б) нейтралях.

Следовательно, между начальным и конечным распределением напряжением имеет место переходный процесс, связанный с затухающими электромагнитными колебаниями, обусловленными индуктивностью, емкостью и активным сопротивлением обмотки. За время переходного процесса напряжение каждой точки обмотки меняется и в отдельные моменты времени достигает значений, превышающих наибольшее его значение при начальном распределении напряжения.

Наибольшее напряжение возникает на изолированном конце обмотки и может достигать значения uX= 1,9U, где U - максимальное напряжение на обмотке при начальном распределении напряжения. Таким образом, наибольшую опасность для изоляции обмотки (межвитковой и относительно земли представляет собой переходный колебательный процесс.

К мерам по защите трансформаторов от перенапряжений относятся внешняя защита - применение заземленных тросов и вентильных разрядников (эти меры позволяют ограничить амплитуду волн напряжения, подходящих к трансформатору) и внутренняя защита - усиление изоляции входных витков; установка емкостных колец и электростатических экранов (емкостная компенсация); применение обмоток с пониженным значением коэффициента . Цель последних двух мероприятий внутренней защиты сводится к сближению начального и конечного распределения напряжения. При этом практически устраняется переходный колебательный процесс.

Ёмкостные кольца представляют собой разомкнутые шайбообразные экраны, изготовляемые из металлизированного электрокартона. Этими кольцами прикрывают начало и конец обмотки, тем самым поднимают кривую начального распределения напряжения, приближая ее к кривой конечного распределения.

Трансформаторы с изолированной нейтралью также могут снабжаться электростатическими экранами, но в этом случае применяют специальные устройства - импидоры, включаемые между нейтралью и землей. Это устройство содержит емкость, включенную параллельно разряднику и реактору, которая при волновых процессах заземляет нейтраль трансформатора, а при промышленной частоте имеет большое сопротивление и практически изолирует нейтраль.

Вопрос 2. Пуск асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором

Пуск непосредственным включением в сеть. Этот способ пуска, отличаясь простотой, имеет существенный недостаток: в момент подключения двигателя к сети в обмотке статора возникает большой пусковой ток, в 5-7 раз превышающий номинальный ток двигателя. При небольшой инерционности исполнительного механизма частота вращения двигателя быстро достигает установившегося значения и пусковой ток также быстро спадает, не вызывая перегрева обмотки статора. Но такой значительный бросок тока в питающей сети может вызвать в ней заметное падение напряжения.

Рис. 1. Схема непосредственного включения в сеть (а) и графики изменения тока и момента при пуске (б) асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Однако этот способ пуска благодаря своей простоте получил наибольшее применение для двигателей мощностью до 38-50 кВт и более (при достаточном сечении жил токоподводящего кабеля). При необходимости уменьшения пускового тока двигателя применяют какой-либо из способов пуска короткозамкнутых двигателей при пониженном напряжении.

Пуск при пониженном напряжении. Пусковой ток двигателя пропорционален подведенному напряжению U1, уменьшение которого вызывает соответствующее уменьшение пускового тока. Существует несколько способов понижения подводимого к двигателю напряжения.

Для асинхронных двигателей, работающих при соединении обмоток статора треугольником, можно применить пуск переключением обмотки статора со звезды на треугольник (рис. 2, а). В момент подключения двигателя к сети переключатель ставят в положение «звезда», при котором обмотка статора оказывается соединенной в звезду. При этом фазное напряжение на статоре понижается в v3 раз. Во столько же раз уменьшается и ток в фазных обмотках двигателя (рис. 2, б). Кроме того, при соединении обмоток звездой линейный ток равен фазному, в то время как при соединении этих же обмоток треугольником линейный ток больше фазного в v3 раз. Следовательно, переключив обмотки статора звездой, мы добиваемся уменьшения линейного тока в (v3)2 = 3 раза.

Рис. 2. Схема включения (а) и графики изменения момента и тока (фазного) при пуске (б) асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором переключением обмотки статора со звезды на треугольник

После того как ротор двигателя разгонится до частоты вращения, близкой к установившейся, переключатель быстро переводят в положение «треугольник» и фазные обмотки двигателя оказываются под номинальным напряжением; бросок тока, возникший при пуске двигателя, при этом будет незначительным.

Рассмотренный способ пуска имеет существенный недостаток - уменьшение фазного напряжения в v3 раз сопровождается уменьшением пускового момента в три раза, так как пусковой момент асинхронного двигателя прямо пропорционален квадрату напряжения U1. Такое значительное уменьшение пускового момента не позволяет применять этот способ пуска для двигателей, включаемых в сеть при значительной нагрузке на валу.

Описанный способ понижения напряжения при пуске применим лишь для двигателей, работающих при соединении обмотки статора треугольником.

Более универсальным является способ с понижением подводимого к двигателю напряжения посредством реакторов (реактивных катушек - дросселей).

Рис. 3. Схемы реакторного (а) и автотрансформаторного (б) способов пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором

Порядок включения двигателя, в этом случае, следующий (рис. 3, а). При разомкнутом рубильнике 2 включают рубильник 7. При этом ток из сети поступает в обмотку статора через реакторы Р, на которых происходит падение напряжения jНпхр (где хр - индуктивное сопротивление реактора, Ом). В результате на обмотку статора подается пониженное напряжение.

После разгона ротора двигателя включают рубильник 2 и подводимое к обмотке статора напряжение оказывается номинальным.

Недостаток этого способа пуска состоит в том, что уменьшение напряжения в U'1/ U1ном раз сопровождается уменьшением пускового момента Мп в (U'1/ U1ном)2 раз.

При пуске двигателя через понижающий автотрансформатор (рис. 3, б) вначале замыкают рубильник 1, соединяющий обмотки автотрансформатора звездой, а затем включают рубильник 2 и двигатель оказывается подключенным на пониженное напряжение U/1. При этом пусковой ток двигателя, измеренный на выходе автотрансформатора, уменьшается в КА раз, где КА- коэффициент трансформации автотрансформатора. Ток в питающей двигатель сети уменьшается в К2А раз по сравнению с пусковым током при непосредственном включении двигателя в сеть, т.к. в понижающем автотрансформаторе первичный ток меньше вторичного в КА раз и поэтому уменьшение пускового тока при автотрансформаторном пуске составляет КАКА = К2А раз.

После первоначального разгона ротора двигателя рубильник 1 размыкают и автотрансформатор превращается в реактор. При этом напряжение на выводах обмотки статора несколько повышается, но все же остается меньше номинального. Включением рубильника 3 на двигатель подается полное напряжение сети. Таким образом, автотрансформаторный пуск проходит тремя ступенями: на первой ступени к двигателю подводится напряжение U1= (0,50ч0,60)U1ном, на второй - U1= (0,70ч0,80)U1ном и, наконец, на третьей ступени к двигателю подводится номинальное напряжениеU1ном.

Автотрансформаторный способ пуска сопровождается уменьшением пускового момента, так как значение последнего прямо пропорционально квадрату напряжения. С точки зрения уменьшения пускового тока автотрансформаторный способ пуска лучше реакторного, так как при реакторном пуске пусковой ток в питающей сети уменьшается в U'1/ U1ном раз, а при автотрансформаторном - в (U'1/ U1ном)2 раз. Но некоторая сложность пусковой операции и повышенная стоимость пусковой аппаратуры (понижающий автотрансформатор и переключающая аппаратура) несколько ограничивают применение этого способа пуска асинхронных двигателей.

Вопрос 3. Реле тепловой защиты

Для защиты электрических цепей от длительного протекания токов перегрузки, в 5 - 7 раз превышающих номинальные токи, широко применяются реле тепловой защиты с термобиметаллическими исполнительными механизмами.

Термобиметаллический элемент содержит биметаллическую пластину, состоящую из двух материалов с различными температурными коэффициентами линейного расширения б, жестко скрепленных друг с другом. Если один конец пластины закреплен (рис. 1, а), то ее свободный конец изгибается в сторону материала с меньшим значением б.

Существуют три способа подогрева пластины нагревательным элементом (рис. 1, б): непосредственный, косвенный и комбинированный. Выбор способа подогрева определяется значением протекающего по цепи тока.

Рис. 1. Биметаллическая пластина с нагревательным элементом (а) и способы ее подогрева (б): 1, 2 - термоактивные материалы; 3 - нагревательный элемент

На рис. 2 представлены упрощенные схемы биметаллических устройств тепловых реле.

При нагреве пластины 1 (рис. 2, а) она изгибается в направлении усилия Р1 и, воздействуя на штифт 3, перемещает подвижный пружинный контакт 2 до размыкания с неподвижным контактом 4. Изменяя положение контактов 2 и 4, можно менять уставку реле по току срабатывания. После охлаждения биметаллической пластины реле возвращается в исходное положение. Подогрев пластины реле может осуществляться непосредственным либо косвенным способом. Данное устройство имеет малое быстродействие.

Указанного недостатка лишена конструкция, представленная на рис. 2, б. Биметаллическая пластина 1 служит защелкой, удерживающей контакты 2 и 4 в замкнутом состоянии. При нагреве пластина изгибается и освобождает контакты, которые размыкаются под действием пружины 5. Возврат пластины в исходное состояние осуществляется вручную.

Рис. 2. Схемы (а...е) биметаллических устройств тепловых реле: 1 - биметаллическая пластина; 2, 4 -- подвижный и неподвижный контакты; 3 штифт; 5, 6 - пружины.

Еще большее быстродействие достигается в конструкции, показанной на рис. 2, в. Пластинчатая пружина 6 удерживает контакты реле в замкнутом состоянии до тех пор, пока усилие Р1, развиваемое пластиной при ее нагреве, не становится больше усилия Р2, развиваемого пружиной. При этом пластина скачком выгибается в сторону действия усилия Р1 и размыкает контакты реле. Возврат системы в исходное состояние происходит автоматически после остывания пластины.

Разновидностью описанной конструкции является устройство, представленное на рис. 2, г. В данной системе одновременно происходят скачкообразные перемещения пластины и контактов. Система имеет самовозврат.

Рис. 3. Время-токовые характеристики реле ТРН-10А: 1 - зона время-токовых характеристик реле, начинавшего работу в холодном состоянии (при пуске двигателя); 2 - зона время-токовых характеристик реле, начинавшего работу в горячем состоянии (после прогрева номинальным током).

Для исключения влияния температуры окружающей среды на характеристики тепловых реле в них предусматривают термокомпенсацию за счет использования дополнительной биметаллической пластины. В конструкции, показанной на рис. 2, д, осуществляется компенсация прогиба пластины, а на рис. 2, е представлен вариант исполнения пластины с компенсацией усилия.

Тепловые реле с термобиметаллическими пластинами широко применяются для защиты статорных обмоток электродвигателей от длительного протекания токов перегрузки, как в режиме пуска двигателя, так и в режиме технологических перегрузок. Эти реле относятся к аппаратам защиты косвенного действия, так как реагируют не на превышение температуры защищаемого объекта, а на ток, вызывающий это превышение. Недостатками тепловых реле являются: малая термическая стойкость к протекающим по реле сверхтокам, нерегулируемость защитной характеристики, большое время срабатывания, существенные потери энергии, большой разброс по току и времени срабатывания реле, необходимость в остывании. Достоинствами тепловых реле являются: малые размеры, масса и стоимость, простота конструкции и надежность в эксплуатации.

Основной защитной характеристикой реле является время-токовая характеристика, т. е. зависимость времени срабатывания реле от кратности тока в цепи по отношению к номинальному току (рис. 3).

Современные магнитные пускатели комплектуются тепловыми реле нового поколения. Реле серии РТЛ имеет трехполюсное исполнение, механизм для ускорения срабатывания при обрыве фазы статорной обмотки двигателя, регулятор тока несрабатывания и несменные нагревательные элементы. В реле предусмотрена термокомпенсация. Оно обладает высоким быстродействием, рассчитано на номинальные токи до 200 А и предназначено для комплектации пускателей серии ПМЛ. Реле серии РТТ (для магнитных пускателей серии ПМА) имеет аналогичные характеристики и рассчитано на номинальные токи до 630 А.

Задача

Определить сопротивление резисторов rдоб, которые необходимо включить в цепь обмотки статора трёхфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, чтобы снизить в два раза величину начального пускового тока статора, определить насколько при этом уменьшится пусковой момент двигателя. Требуемые для этого значения параметров двигателя приведены в табл. 3.22.

Исходные данные: тип двигателя АИР132S8, Рном =4,0 кВт, Uн =220 В, зном =83%, сosцном =0,7, I1п/I1ном =6,0, Мп/Мном =1,8, cos цк =0,85

Решение:

Рис. Схема пуска АД с короткозамкнутым ротором.

Определим номинальный ток статора (фазное значение):

I1ф = Рном/(3U1фзномcosцном) =4000/(3Ч220Ч0,83Ч0,7) =10,4 А

Начальный пусковой ток (ток короткого замыкания):

I1ф.п. =I1ф(I1п/I1ном) =10,4Ч6 =62,6 А

Сопротивление короткого замыкания двигателя:

Zк =U1ф/I1ф.п. =220/62,6 =3,5 Ом

Активная и индуктивная составляющие сопротивления короткого замыкания:

rк= Zкcosцк =3,5Ч0,85 =2,98 Ом

хк= Zкsinцк =3,5Ч0,53 =1,86 Ом

Сопротивление добавочного резистора для уменьшения начального пускового тока в 2 раза:

rдоб =v((КZк)2+хк2) -rк =v((2Ч3,5)2+1,862) -2,98 = 4,26 Ом

Мощность на этом резисторе:

Рдоб =(I1ф.п/2)2rдоб =(62,6/2)2Ч4,26 =4173,5 Вт

Напряжение непосредственно на клеммах обмотки статора двигателя:

U'1ф =220-(I1ф.п/2)rдоб = 220- (62,6/2)Ч4,26 =86,7 В

Таким образом, напряжение, подводимое на клеммы обмотки статора, составит 86,7/220 =0,39 от номинального. При этом пусковой момент двигателя составит 0,392 =0,15 от Мп, т.е. он будет равен 0,15Мп =0,15Ч1,8ЧМном =0,27 Мном

Следовательно, это двигатель при пуске должен иметь нагрузку на валу не более 27% от её номинального значения.

трансформатор обмотка ротор электрический

Список литературы

1. Берёзкина Т.Ф. Задачник по общей электротехнике с основами электроники: учебное пособие для студ. неэлектротехн. спец. средних спец. учеб. заведений. - 3-е изд., стер. - М.: Высшая школа, 1998

2. Девочкин О.В. и др. Электрические аппараты: учеб. пособие для студ. учреждений сред. проф. образования - 5-е изд., стер. - М.: Издательский центр Академия, 2015

3. Кацман М.М. Электрические машины: учебник для студ. учреждений сред. проф. образования - 12-е изд., стер. - М.: Издательский центр Академия, 2013

4. Кацман М.М. Сборник задач по электрическим машинам: учеб. пособие для студ. учреждений сред. проф. образования - 6-е изд., стер. - М.: Издательский центр Академия, 2012

Размещено на Allbest.ru