МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

(Минсельхоз России)

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«КУРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ИМ. ПРОФ. И.И.ИВАНОВА»

Кафедра Электротехники и МЖ

Лабораторная работа №6

Защита электродвигателей от перегрузки

по дисциплине «Электропривод»

КУРСК – 2007

Составили: профессор Серебровский В.И.

преподаватель Назаренко Ю.В.

Лабораторная работа №6

Защита электродвигателей от перегрузки

Цель работы: Изучить способы защиты и особенности работы различных средств защиты электродвигателей от перегрузки.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Правильный выбор электрического двигателя для привода рабочей машины не исключает возможности его перегрузки, вызванной случайной причиной. В результате этой перегрузки двигатель может выйти из строя, если его своевременно не отключить.

Назначение защиты. Отключить двигатель от сети до того, как в результате перегрева произойдет повреждение какой-либо части машины.

В установках низкого напряжения для защиты электродвигателей применяют плавкие вставки, тепловые реле и автоматические выключатели с тепловыми и электромагнитными расцепителями.

Плавкие предохранители являются наиболее простыми из перечисленных выше устройств. Элементом, реагирующим на увеличение тока в цепи, является плавкая вставка, представляющая собой проволоку или пластинку из легкоплавкого металл. По существу, это есть ослабленный участок цепи. При чрезмерном увеличении тока плавкая вставка расплавляется и разрывает цепь. Работа плавкой вставки характеризуется зависимостью времени ее плавления от тока.

Рис.1

Характеристику называют амперсекундной или защитной (рис. 1). С увеличением тока время плавления вставки быстро уменьшается и при больших токах это время составляет десятые и сотые доли секунды. При небольших токах время плавления вставки сильно зависит от окружающих условий (температуры окружающей среды, теплоотдачи и др.). Поэтому принято считать, что плавкие вставки с номинальным током до 10 А должны выдерживать ток, равный 1,5 номинального в течении 1 часа и расплавляться не позднее чем через 1 час при токе, равном 1,75 номинального значения. Таким образом, вставка практически не обеспечивает защиты с электродвигателя при перегрузке его на 50%.

При больших перегрузках плавкая вставка перегорает быстро. Так, например, ток, равный четырехкратному от номинального, расплавит вставку за сотые доли секунды. Поэтому плавкая вставка применяется, главным образом, для защиты от больших перегрузок (коротких замыканий).

При выборе предохранителей в цепях с асинхронным двигателем необходимо учитывать следующие условия пуска. Как известно, пусковой ток короткозамкнутого двигателя в 5-7 раз превосходит его номинальный ток. Если выбрать плавкую вставку по номинальному току двигателя, то она будет перегорать за доли секунды, не позволяя произвести запуск двигателя. Чтобы этого не происходило, плавкую вставку выбирают по пусковому току короткозамкнутого двигателя из условия:

I пл. вст.=,

где I пл. вст. – номинальный ток плавкой вставки;

I пуск - пусковой ток двигателя;

α- коэффициент, зависящий от времени пуска двигателя.

При нормальном пуске (время разбега двигателя менее 10 сек) α = 2,5, при тяжелом пуске (время разбега более 10 сек) α = 1,6.

Если применяются устройства для снижения пусковых токов, то плавкую вставку выбирают из другого условия:

I пл. вст. > I н,

где I н - номинальный ток двигателя.

Другим устройством, предназначенным для защиты электродвигателей, является тепловое реле, которое работает в сочетании с магнитным пускателем.

Тепловое реле состоит из нагревательного элемента, представляющего собой иногда проволочную спираль, биметаллической пластинки и контактов с пружиной и защелкой.

На рис. 2 показана схема включения теплового реле в цепь управления электродвигателя. Нагревательный элемент реле включается после силовых контактов магнитного пускателя в цепь управления магнитного пускателя последовательно с его катушкой. Биметаллическая пластинка и детали механизма воздействия на контакты в электрической схеме не показываются.

Рис. 2.

Ток электродвигателя, протекая по нагревательному элементу реле, вызывает нагрев биметаллической пластинки. Параметры реле подобраны таким образом, чтобы при протекании тока, превышающего установленную величину, биметаллическая пластинка изгибалась и приводила с помощью механизма срабатывания к отключению контактов в цепи управления магнитного пускателя.

Защитная характеристика теплового реле имеет такую же форму, как и защитная характеристика плавного предохранителя (рис. 1).

Но в отличие от плавких предохранителей, тепловые реле могут защищать электродвигатели от сравнительно небольших перегрузок В то время, как плавкие предохранители не защищают от перегрузок до 50%, тепловое реле срабатывает при такой перегрузке через 2-2,5 мин. Вместе с тем тепловые реле имеют существенный недостаток: из-за большой тепловой инерции при больших перегрузках, когда требуется быстрое отключение, оно не может моментально отключить электродвигатель.

В связи с этим применение тепловых реле не исключает установку предохранителей. Они дополняют друг друга. При больших перегрузках, например, коротких замыканиях, срабатывают предохранители, при небольших, но длительных перегрузках – тепловое реле.

Одним из совершенных аппаратов защиты электродвигателей является автоматический выключатель, имеющий электромагнитный и тепловой расцепители. Тепловой расцепитель действует также, как и тепловое реле магнитного пускателя. Ток, проходя по нагревательному элементу, нагревает биметаллическую пластинку, которая снимает защелку пружины и тем самым производит отключение. В отличие от теплового реле магнитного пускателя, тепловой расцепитель автоматического выключателя имеет меньшей зазор между биметаллической пластинкой и механизмом отключения. Это уменьшает время срабатывания реле при больших токах. Однако, при коротких замыканиях тепловой расцепитель не может срабатывать достаточно быстро. Эта функция выполняется электромагнитным расцепителем.

Электромагнитный расцепитель представляет собой катушку с сердечником. При возникновении больших перегрузок, в 9-11 раз превышающих номинальный ток, катушка, преодолев сопротивление противодействующей пружины, втягивает сердечник, который снимает защелку и освобождает отключающую пружину. Таким образом, автоматический выключатель заключает в себе свойства защиты от значительных перегрузок при моментальном срабатывании и защиту от перегрузок незначительных, но длительных по времени. В связи с этим не требуется устанавливать плавкие предохранители там, где имеются автоматические выключатели.

В сельских электроустановках одним из наиболее часто встречающихся нарушений нормального электроснабжения является потеря одной фазы. Причиной потери фазы чаще всего является перегорание одного из предохранителей. Тогда питание приемников электроэнергии осуществляется по двум проводам. При этом трехфазные потребители оказываются работающими в однофазном режиме.

При однофазном режиме работы асинхронных трехфазных электродвигателей возможна перегрузка, вызывающая перегрев обмоток. Здесь возможны два случая. Если потеря фазы произошла до пуска двигателя, то после включения его в сеть он не может привести в движение машину, так как пусковой момент его при однофазном питании равен нулю. При этом по обмоткам машины пойдет ток, превышающий в несколько раз номинальный. В этом случае двигатель следует немедленно отключить. Если потеря фазы произошла в тот момент, когда электродвигатель работал с номинальной скоростью, по его обмоткам пойдет повышенный ток, который также вызовет перегрев обмоток, такой двигатель следует также отключить!

Так как предохранитель, как правило, приходится выбирать по пусковому току, он в таких случаях не в состоянии защитить электродвигатель. Более того, неправильное срабатывание предохранителя является наиболее часто встречающейся причиной такого аварийного режима. Лучшим средством защиты от потери фазы является автоматический выключатель, так как он устраняет одну из главных причин потери фазы – перегорание одного из предохранителей. При возникновении перегрузки в любой фазе производится отключение всех трех.

Установка для снятия характеристики плавкой вставки питается от понижающего трансформатора (рис. 3). Испытуемая медная проволока П зажимается под клеммы 1 и 2. На время установки тока проволока шунтируется ножом переключателя ПР (положение II). При помощи автотрансформатора АТР устанавливается ток нужной величины, с чем можно судить по амперметру А_I. Переключателем ПР плавкая вставка расшунтируется (положение III) и одновременно включается секундомер.

Когда плавкая вставка сгорит, секундомер останавливается. Он покажет, сколько положительных полупериодов тока сети пройдет, пока вставка плавилась при данном токе. Если большая стрелка секундомера остановилась на цифре 50, что соответствует 50 полу периодам, то время срабатывания равно 1 секунде, т.к. частота тока в сети f = 50 Гц. Маленькая стрелка считает обороты большой, т.е. поворот ее на одно деление соответствует 2 секундам. Например, если в результате опыта маленькая стрелка прошла 3 деления, а большая остановилась на 33 делениях, то время срабатывания равно: 3 х 2 + 33 Х 0,02 = 6,66 с. Проделав опыты при разных токах, получим амперсекундную характеристику вставки.

Задание

1. Снять амперсекундные характеристики плавкой вставки предохранителя, автоматического выключателя, теплового реле, записывая результаты опытов в соответствующие таблицы (табл. 1, 2, 3).

2. Построить на миллиметровой бумаге по результатам опытов характеристики I = f (t)

Рис. 3.

3. По защитной характеристике плавкой вставки определить I₁₀ – ток плавления при выдержке 10 секунд и рассчитать номинальный ток уставки:

I пл. вст. =

4. Определить номинальный ток плавкой вставки по формуле:

,

где d – диаметр проволоки в мм,

L - коэффициент, зависящий от материала (для меди L = 80).

5. Определить номинальный ток автоматического выключателя. Для этого необходимо ток, соответствующий выдержке времени 2 мин., при настроенной защите, поделить на 1,5. Аналогично определить номинальный ток теплового реле.

6. По результатам испытаний плавкой вставки, автоматического выключателя и теплового реле построить в относительных единицах защитные характеристики K _I = f (t),

K _I =

где K _I - кратность тока;

I _{ном. защиты} - номинальный ток соответствующей защиты, определенный по пункту 3 (для плавкой вставки предохранителя) или по пункту 5 (для автоматического выключателя и теплового реле);

I - ток нагрузки (из табл. 1, 2 или 3).

Порядок выполнения работы

1. Отобрать 10-12 проволочек разного диаметра.

2. Цепь между клеммами 3 и 4 разомкнуть.

3. Переключатель ПР находится в положении П, ручка автотрансформатора АТР в нулевом (крайнее левое положение).

4. На левой верхней панели стенда, включить автоматический выключатель, а затем пакетный выключатель поставить в положение ВКЛ. На клеммах А, В, С, О появится напряжение 380/220. Для питания автотрансформатора АТР, расположенного в центральном отсеке стенда, используется фазное напряжение 220 В.

5. Пакетный выключатель S₁ на правой верхней панели стенда перенести в положение «ВКЛ». При этом загорится красная сигнальная лампочка П.

6. Зажать одну проволоку под клеммы 1-2.

7. Нажатием на кнопку S ₂ привести в работу магнитный пускатель К.

8. Ручкой автотрансформатора установить первое значение тока: 45 по амперметру А₁.

9. Нажатием на кнопку секундомера установить стрелку в нулевое положение.

10. Перевести переключатель ПР в положение Ш. При этом автоматически включится секундомер. Обратить внимание на свойство металлов увеличивать удельное сопротивление при нагревании. Поэтому в процессе перегорания плавкой вставки, ток, который через нее проходит, будет уменьшаться: его необходимо поддержать на одном уровне.

11. После перегорания проволоки секундомер автоматически остановится и автоматически отключится магнитный пускатель К₁, который снимет напряжение с испытуемого устройства. Переключатель ПР перевести в положение П, автотрансформатор АТР в нулевое положение.

12. По секундомеру производится отсчет времени сгорания плавкой вставки.

13. Повторяется весь процесс, начиная с п. 6, только в каждом следующем опыте величина измеряемого тока уменьшается на 5А. Опыты прекращаются, когда плавкая вставка перестанет перегорать. Результаты измерений заносятся в таблицу 1, по полученным данным строится амперсекундная характеристика.

14. Для снятия характеристики автоматического выключателя вместо п. 6 выполняется операция: испытуемый АВ нажатием его кнопки ВКЛ переводится в замкнутое положение. Выполняются все операции далее до п. 13. Так как в работе испытывается только тепловая защита автоматического выключателя и перед первым опытом его биметаллическая пластинка имеет комнатную температуру, а при протекании большого тока она нагревается, и потом после отключения АВ не может быстро остыть до комнатной температуры, чтобы можно было без особой погрешности производить следующий опыт, необходимо первый опыт считать подготовленным (не вносить в заполняемую таблицу), каждый следующий опыт проводить с одинаковой выдержкой, необходимой для охлаждения биметаллической пластинки – две минуты. До снятия защитной характеристики теплового реле необходимо замкнуть цепи 3 и 4 нагревательных элементов теплового реле, замкнуть нажатием на кнопку управляющий контакт теплового реле РТ-5. Пользуясь указаниями п. 14 снять характеристику теплового реле (выдержка времени для охлаждения нагревательного элемента – 2 минуты). Тепловое реле перед проведением каждого опыта переводить в рабочее состояние замыканием контакта РТ-5.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

Название работы.

Цель работы.

Краткое описание работы защитных устройств и их назначение.

Схему включения теплового реле для защиты электродвигателя.

Протокол испытаний защитных устройств, включающий следующие три таблицы:

Таблица 1

Диаметр проволоки d, мм	Ток нагрузки I, А	Время плавления t, с	Номинальный ток пл. вставки I пл. вст.	Кратность тока K I =

Таблица 2

Ток нагрузки I, А	Время срабатывания выключателя t, с	Ток установки выключателя I ном.	Кратность тока K I =

Таблица 3

Ток нагрузки I, А	Время срабатывания реле t, с	Ток установки теплового реле I ном.	Кратность тока K I =

Защитные характеристики устройств защиты по результатам испытаний (таблицы 1, 2, 3).

Результаты расчетов номинальных токов в соответствии с заданием.

Защитные характеристики, выполненные в относительных единицах в одних системах координат K _I = f (t)

Выводы по работе.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Преимущества и недостатки применения плавкой вставки?

2. Как определить номинальный ток плавкой вставки?

3. Устройство и работа теплового реле?

4. Преимущества и недостатки применения теплового реле?

5. Как учитываются условия пуска двигателей при выборе плавких вставок?

6. Как устроен и работает электромагнитный расцепитель автоматического выключателя?

7. В чем преимущества автоматического выключателя?

12

11

3

10

4

9

5

8

6

7