2.5 Техника безопасности

 

Выставлять уставки токовых реле и производить включение стенда можно только в присутствии преподавателя.

 

Рисунок 2.4

 

SF1 – вводной автомат, SA1 – избиратель управления, SA2- переключатель трансформаторов в автоматический режим, SA3, SA4 - ключи управления выключателями QF1 и QF2, SB1 - SB6 – кнопки ручного включения и отключения автоматов QF3, QF4, QF5, QF1 - QF5 – катушки и контакты приводов выключателей, КL1 - KL3 – промежуточные реле, KT1, KT2 – реле времени, KA1, KA2 – контакты реле тока.

 

2.6 Вопросы для подготовки

 

1 В чем заключается целесообразность автоматического регулирования количества включенных трансформаторов при переменном характере нагрузки ?

2 Какие имеются потери в трансформаторах, как они определяются и от чего зависят?

3 Почему потери в трансформаторах старого выпуска выше потерь в новых?

4 Как влияет экономически целесообразный режим работы трансформаторов на величину потребления реактивной энергии и на режим напряжения у потребителей?

5 Допускают ли трансформаторы перегрузки в нормальном и аварийном режимах?

6 Что такое коэффициент повышения потерь - К_П и от чего он зависит?

7 Объясните работу схемы автоматики трансформаторов.

8 Из каких соображений выбираются уставки выдержки времени реле времени КТ1 КТ2?

 

3 Лабораторная работа № 3

Исследование режимов работы асинхронных двигателей и     повышение соs  в питающей сети 

 

3.1 Цель работы

 

Исследовать статические, механические и рабочие характеристики асинхронных  двигателей, изучить возможности повышения коэффициента мощности АД, а также повышения коэффициента мощности в питающей сети при помощи батарей силовых конденсаторов

 

3.2 Перечень оборудования

 

На лицевой панели стенда изображена мнемосхема лабораторной установки. Исследуемый АД имеет следующие параметры: U_Н=380 В; Р_Н=1,7 кВт; cos _н =0,79; _Н=0,78; n=930  об/мин; схема соединения статорной обмотки Y/ - 380 /220 В. Для создания нагрузки на АД используется спаренный с ним генератор постоянного тока (U_Н=220 В; Р_Н=1 кВт; n=1000 об/мин). Напряжение, подаваемое на АД, регулируется трехфазным поворотным автотрансформатором АТ (потенциал - регулятором). Конденсаторные батареи, установленные за панелью, соединены в треугольник и имеют три группы различной мощности.

 

3.3 Задание

 

Изучить схему лабораторного стенда, снять рабочие и статические характеристики АД, снять данные при индивидуальной компенсации реактивной мощности в питающей сети АД, провести опыт переключения обмоток АД с треугольника на звезду. Результаты опытов занести в таблицы и выразить в виде графиков. Дать пояснения по результатам лабораторной работы. Схема лабораторной установки приведена на рисунке 3.1.

 

3.4 Методические указания

 

3.4.1 Общие положения

Ниже приведены основные характеристики АД, которые в процессе выполнения лабораторной работы должны быть построены студентами по результатам опытов.               

Статические характеристики. Условием, при котором обеспечивается устойчивый режим напряжения у потребителей и, следовательно, устойчивый режим работы самих потребителей, является равенство в точке потребления генерируемой и потребляемой реактивной мощности. При нарушении этого равенства возникает неустойчивый режим напряжения, которое может либо расти, либо снижаться.

          Потребляемая реактивная мощность определяется уровнем напряжения у потребителя и характеризуется так называемой статической характеристикой нагрузки, выражающей зависимость реактивной мощности от изменения напряжения.

          В зависимости от напряжения и частоты изменяется величина потребляемой активной и реактивной мощностей. Так, например, уменьшение напряжения в сети до 80-85 % от номинального снижает реактивную нагрузку на 20-25 %. Однако при дальнейшем снижении напряжения возрастают потери реактивной мощности в индуктивных сопротивлениях асинхронных двигателей, трансформаторов и линий передачи, а также снижается зарядная компенсирующая мощность линии, конденсаторов. Поэтому величина реактивной мощности в сети будет лавинообразно увеличиваться, что приведет к дальнейшему снижению напряжения, при котором наступит опрокидывание асинхронных двигателей в узле нагрузок и  отключение питающей линии за счет возросших токов двигателей, рост которых обусловлен увеличением их скольжения.

          В современной промышленной нагрузке обычно преобладают асинхронные двигатели,  и поэтому с некоторым приближением комплексную нагрузку или узел нагрузок можно заменить некоторым “эквивалентным” двигателем, статические характеристики которого полностью соответствуют реальным для данного узла нагрузок.           На рисунке 3.2 приведены статические характеристики АД, которые строятся по показаниям вольтметров и ваттметров активной и реактивной мощностей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3.1 – Схема лабораторной установки

 

АД – асинхронный двигатель; QF – вводный автоматический выключатель; PV, PA, PW, Pvar – вольтметр, амперметр, ваттметр, варметр;                         AT – автотрансформатор (потенциал-регулятор); KM – магнитный пускатель; SA1,SA2,SA3 – поворотные ключи для батарей конденсаторов; CB1, CB2, CB3 – батареи конденсаторов; SA5 – переключатель (ключ управления); Г – генератор постоянного тока (нагрузка двигателя); RR – регулируемый реостат в обмотке возбуждения генератора; SA6 – ключ управления генератором.

          Задаваясь различными значениями напряжения на зажимах электродвигателя в пределах от 1,1U_Н до 0,5-0,6U_Н, определяют соответствующую величину активной и реактивной мощностей

Р_* =  (U_Н)  и  Q = (U)

где     Р_* = Р/ Р_Н,  Q_ = Q/ Q_Н – относительные активные и реактивные мощности;

Р_Н, Q_Н – активная и реактивная мощность при номинальном напряжении сети;

Q, Р – активная и реактивная  мощность при данном напряжении.

 

          Минимум характеристики реактивной мощности дает значение критических напряжений, при которых происходит опрокидывание асинхронных двигателей.

          В нормальном установившемся режиме работы агрегата “двигатель-механизм” имеет место равенство вращающего момента двигателя и момента сопротивления механизма, т.е.  , чем и обеспечивается постоянство скорости вращения вала агрегата (рисунок 3.3).

          При нарушении этого равенства в результате изменения нагрузки или напряжения скорость вращения агрегата изменяется.

          Известно, что вращающий момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения, т.е.  .

          Если, например, снижается  напряжение сети на 20 %, то вращающий момент двигателя равен  , и при дальнейшем снижении напряжения вращающий момент станет ниже момента сопротивления механизма (т.3, рисунок 3.3), двигатель опрокинется. Момент сопротивления механизмов конвейеров поршневых компрессоров, металлорежущих станков постоянен и не зависит от скорости вращения механизма (прямая 1, рисунок 3.3), а для механизмов вентиляторов, центробежных компрессоров момент сопротивления зависит от оборотов (кривая 2, рисунок 3.3). Механизмы  с постоянным моментом тяжелее пускаются и быстрее выпадают из синхронизма и опрокидываются.

          В современных энергосистемах глубокие снижения напряжения могут возникнуть в послеаварийных режимах при коротких замыканиях, отключении отдельных генераторов, электростанций.

          Учет статических характеристик нагрузок необходим при расчетах устойчивости электрической системы, выборе средств компенсации реактивной мощности узла и определении отклонения и колебания напряжения сети.

Рабочие характеристики асинхронных двигателей  

Так как асинхронные двигатели на промышленных предприятиях являются основными потребителями реактивной мощности, то в первую очередь, необходимо упорядочить режим их работы.

 

 

Рисунок 3.2 – Статические характеристики АД

 

 

Рисунок 3.3 – Механические характеристики АД

 Величина потребления реактивной мощности асинхронными двигателями зависит от коэффициента загрузки и номинального коэффициента мощности двигателей.

Реактивная мощность двигателя при номинальной нагрузке равна

, квар

где     _н – номинальный к.п.д. двигателя;

          tg _н – тангенс угла сдвига фаз, соответствующий номинальному коэффициенту мощности (cos _н).

Реактивная мощность двигателя при данной его нагрузке равна

где Q₀ – реактивная мощность эл. двигателя на холостом ходу, квар;

 – прирост потребления реактивной мощности при номинальной  нагрузке двигателя, квар;

 – коэффициент загрузки двигателя;

Р – мощность нагрузки на валу двигателя, кВт;

Р_н – номинальная мощность двигателя, кВт.

 

          Основную роль в балансе реактивной мощности асинхронного двигателя играет реактивная мощность холостого хода, зависящая от объема магнитной цепи, т.е. от конструкции двигателя.

          Чем выше номинальный коэффициент мощности, тем относительно меньше реактивная мощность холостого хода двигателя.

          У асинхронных двигателей с номинальным коэффициентом мощности cos _н = 0,910,93 реактивная мощность холостого хода составляет около 60% всей реактивной мощности при номинальной загрузке двигателя. Для двигателей с cos _н = 0,770,79 она достигает 70 %.

          Для повышения коэффициента мощности необходимо правильно выбрать мощность асинхронных двигателей с оптимальной их загрузкой       Кз = 0,60,8, максимально ограничить работу на холостом ходу, т.е. провести мероприятия, снижающие потребление из сети реактивной мощности. Графики зависимостей активной, реактивной мощностей и cos  асинхронных двигателей от величин коэффициента их загрузки называют рабочими характеристиками (рисунок 3.4).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

      

         

Рисунок 3.4 – Рабочие характеристики АД

         

Снижение потребления реактивной мощности асинхронными двигателями.

Для достижения экономичной работы системы электроснабжения необходимо выполнение мероприятий, снижающих потребление реактивной мощности предприятиями от энергосистемы. Эти мероприятия разбиваются на мероприятия, не требующие специальных компенсирующих устройств и целесообразные во всех случаях, и на мероприятия, требующие специальных компенсирующих устройств для выработки реактивной мощности.

          Так как АД являются основными потребителями реактивной мощности (60-65 % от общего потребления реактивной мощности), рассмотрим мероприятия, снижающие потребление реактивной мощности асинхронными двигателями:

          1. Замена систематически недогруженных асинхронных двигателей со средним коэффициентом загрузки менее 45 % на  двигатели меньшей мощности, если это выполнимо по конструктивным условиям.

          2. Установка ограничителей холостого хода асинхронных двигателей.

          3. Снижение напряжения питания асинхронных двигателей, загруженных не выше чем на 45 % путем переключения схемы обмоток с треугольника на звезду. При этом вращающий момент и активная мощность электродвигателя уменьшаются в 3 раза ( ), загрузка двигателя и его коэффициент мощности повышаются, а потребление реактивной мощности снижается.

          4. Повышение качества ремонта асинхронных двигателей, т.е. при ремонте необходимо точно соблюдать номинальные данные двигателей.

          Компенсация реактивной мощности в питающей сети.

          К мероприятиям, связанным с применением компенсирующих устройств и улучшающим режим в питающей сети, относится установка батарей статических конденсаторов. При этом может быть применена групповая на шинах или индивидуальная компенсация реактивной мощности.

          Установка БК позволяет разгрузить питающую сеть, включая генераторы электростанций, от передачи и выработки значительной величины реактивной мощности, что приводит  большому экономическому эффекту.

 

3.4.2 Подготовка стенда к работе

Включить автомат QF и подать напряжение на потенциал-регулятор АТ. Ключом SA4 установить напряжение сети U=380-400 В, ключом  SA5 соединить обмотку статора АД в звезду. С генератора снять возбуждение (ручку статора RR в цепи обмотки возбуждения повернуть влево до упора) и разомкнуть цепь нагрузки ключом SA6, т.е. подготовить включение двигателя на холостой ход.

 

3.4.3 Снять рабочие характеристики АД

Кнопкой ПУСК магнитного пускателя КМ включить асинхронный двигатель (без подключения конденсаторов) и нагрузить его от холостого хода до 1,1-1,2 Р_Н. Снять показания приборов и результаты занести в таблицу 3.1.

 

Таблица 3.1 – Рабочая характеристика АД

	U, B	I, A	P, кВт	Q, квар	КЗ=Р/РН	cos	Примечания
1
2
...

Построить графически зависимость потребления активной и реактивной мощностей и коэффициента мощности (cos ) от загрузки асинхронного двигателя.

 

3.4.4 Провести анализ эффективности компенсации реактивной мощности в питающей сети

В настоящей лабораторной работе исследуется режим индивидуальной компенсации реактивной мощности АД (рисунок 3.1). Установить на двигатель постоянную нагрузку близкую к Р_Н, определить коэффициент мощности в сети, питающей АД. Включая конденсаторные батареи снять показания измерительных приборов, подсчитать коэффициенты мощности в трех режимах и результаты занести в таблицу 3.2.

 

Таблица 3.2 – Компенсация реактивной мощности в питающей сети АД

	Р, кВт	Q, квар	S, кВА	cos 	I, А
АД
АД + СВ1
АД + СВ1 + СВ2
АД + СВ1 + СВ2 + СВ3

  

Провести анализ результатов замеров и сделать вывод об эффективности компенсации реактивной мощности в сети, питающей АД.

 

3.4.5 Провести опыт переключения обмоток АД с треугольника на звезду

Отключив двигатель, установить напряжение питающей сети U_Л=220-230 В, соединить обмотку двигателя в треугольник и включить напряжение, установив на двигателе нагрузку в пределах 0,25-0,4 Р_Н (по заданию преподавателя). Отключить двигатель, переключить обмотку статора с треугольника на звезду и вновь включить двигатель в сеть U_Л =230 В при той же активной нагрузке. Снять показания приборов и результаты занести в таблицу 3.3, сравнить коэффициенты мощности  cos , результаты объяснить.

 

Таблица 3.3 – Переключение обмотки АД с треугольника на звезду

	U, В	I, A	P, кВт	Q, квар	S, кВА        соs 

Y

 

3.4.6 Снять статические характеристики АД

Статические характеристики - это зависимость потребляемой активной и реактивной мощностей АД от напряжения питающей сети.

Для выполнения этого пункта работы обмотку двигателя включить в звезду, установить нагрузку на двигатель в пределах 0,5-0,7 Р_Н при напряжении сети U_Л = 380-400 В, затем, уменьшая напряжение 5-6 ступенями до 0,5-0,6 U_Н при неизменной нагрузке на двигатель, снимают показания приборов и заносят в таблицу 3.4.

Примечание. Если обмотка статора двигателя включается в треугольник, то напряжение сети изменяется в пределах U_Л = 250-120 В. Если при снижении напряжения двигатель опрокинется, т.е. вращающий момент двигателя станет меньше момента сопротивления механизма     М_ДВ  М_С МЕХ, его необходимо быстро отключить (рисунок 2.3, т.3).

 

Таблица 3.4 – Статическая характеристика АД

	U, В	I, А	P,кВт	Q, квар	U=U/Uн	I=I/Iн	P= Р/Рн	Q= Q/Qн
1
2
...

 

Построить графически статические характеристики асинхронного двигателя, дать пояснения к ним.