3. Программа экспериментальных исследований

1. Меры по технике безопасности

Перед началом работы необходимо проверить и установить коммутационную аппаратуру в следующее состояние: FMI - выкл.; Q₁ - "На­ладка"; Q₂ – «R₁» ; Q3- "3"; R₅ - в крайнее левое положение; R₁, R₂, R₆, R₇, R₈ - в крайнее правое положение.

Работу ЗАПРЕЩАЕТСЯ начинать без проверки схемы преподавателем его разрешения.

2. Выставление пусковых сопротивлений R₁ и R₂.

В пункте 3.6 программы работ были рассчитаны величины пусковых сопротивлений R₁ и R₂. На испытательном стенде необходимо выставить реостаты R1 и R2, чтобы величина их омического сопротив­ления равнялась рассчитанным расчетным значениям R₁ и R_2. Измеренное сопротивление R1 и R2 будем производить методом амперметра-вольтметра по закону Ома для участка цепи.

а) схема стенда для выставления первого пускового сопротивления R₁ предусматривает сборку схемы по рис. 3.1а при установке пере­ключателей в следующее положение: включаем FM1, затем вращая дви­жок реостата R1 слева направо, выставляем необходимое сопротивление, которое было рассчитано в п. З.6.

Рис. 3.1а Упрощенная схема выставления первого пускового сопротивления.

б) схема стенда для выставления второго пускового сопротивления R₂ предусматривает сборку схемы по рис. 3.1б при установке переключателей в следующее положение: тумблер Q₂ перевести в положение «R₂» вращая движок реостата R2 выставить сопротивление аналогично п.3.2а.

Рис. 3.1б Упрощенная схема выставления второго пускового сопротивления.

3.3. Выставление необходимых выдержек времени

В п.3.6 программы работ были рассчитаны величины выдержек времени ( t1 = 0.42 с; t2= 0.25 с). На испытательном стенде по секундомеру путем подбора сопротивлений R6 и R7 необходимо выставить данные выдержки времени.

а) выставление первой выдержки времени t1= 0.42 с. Схема стенда для выставления первой выдержки времени предусматривает сборку схемы по рис. 3.2а

Рис 3.2а Упрощенная схема для выставления первой выдержи времени

3.4. Запуск двигателя

После выставления пусковых сопротивлений и выдержек времени переходим к запуску двигателя и снятию характеристик.

Схема стенда для запуска двигателя предусматривает сборку по схеме рис.3.3

Рис.3.3 Упрощенная схема запуска двигателя.

Запуск двигателя осуществляется при следующих положениях переключателей: Q₁ необходимо перевести в положение "Пуск". Запуск осуществляется путем включения FM1. Вращая движок реостата R8 снять скоростную характеристику (конечное значение 0.5Iн.

Выключить двигатель нажатием кнопки SR.

3.4 Снятие механической характеристики

3.5. Снятие пусковой диаграммы

Снятие пусковой диаграммы по амперметру PAI. При этом необ­ходимо снять токи I₁и I₂. Для снятия пусковой диаграммы необ­ходимо произвести запуск двигателя.

3.6. Расчетная часть

1. Расчет пусковых сопротивлений произвести графическим методом, который был описан в п. 1.2 описания лабораторных работ. При этом необходимо пересчитать пусковые сопротивления на 25С по формуле:

Где R₁₅ – сопротивление при 15С

2. Этапы расчета переходного режима пуска и определение необ­ходимых выдержек времени.

а) определение суммарного момента инерции «J_∑».

J_муфты - момент инерции муфты, которая жестко связывает двигатель с нагрузочной машиной.

Согласно измерениям:

б) Далее необходимо найти электромеханическую постоянную времени для каждой ступени разгона по формуле:

Где – сопротивление цепи нагрузочной машины.

Т.к. в данной работе испытываются две аналогичные машины (генератор и двигатель), то

=

найдем из скоростной характеристики ДПТ:

Сопротивление на каждой ступени разгона:

, где R₁ и R₂ - пусковые сопротивления

в) Определение выдержек времени.

Необходимые выдержки времени находятся по формуле:

г) Построение графика переходного процесса:

Паспортные данные

Для двигателя:

I_ян = 4,35 А

U_н = 220В

n_н = 1500 об/мин

J_д = 0,011 кг*м²

R_я при 15С = 3,4 Ом

Для генератора:

J_г = 0,011 кг*м²

R_я при 15С = 3,4 Ом

Лабораторная работа №4

«Исследование схем запуска асинхронного двигателя с помощью тиристорного и магнитного пускателей»

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение и исследование схемы управления асинхронным двигателем с помощью тиристорных и магнитных пускателей.

2. ПРОГРАММА РАБОТЫ

2.1. Изучение устройства и принципа действия тиристорного пускателя.

2.2. Изучение схем запуска, остановки, реверса, динамического торможения и торможения противовключением АД с помощью магнитных пускателей

2.3. Ознакомление с принципиальной электрической схемой лабораторного стенда.

2.4. Расчет электромеханической характеристики асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

2.5. Расчет пусковой характеристики.

2.6. Запуск асинхронного двигателя и снятие электромеханической характеристики .

2.7. Снятие пусковой характеристики .

2.8.Реализация и исследование схем:

• Пуск – стоп АД.

• Пуск – стоп – реверс АД.

- Пуск – динамическое торможение АД

2.9. Анализ результатов.

3. СХЕМЫ ЗАПУСКА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ.

Наиболее распространенная схема дистанционного управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором изображена на рис.1

Защита силовых цепей и двигателя от коротких замыканий осуществляется плавкими предохранителями П, защита двигателя от перегрева, вызванного перегрузками или другими причинами, — тепловым реле КК. Включение и отключение двигателя производятся электромагнитным аппаратом — контактором КМ. Для пуска и остановки использованы две кнопки SB2 «Пуск» и «SB1» Стоп. Выключатель QF служит для снятия напряжения с установки после окончания рабочего дня или при ремонте.

Рис. 1 Схема дистанционного управления асинхронным двигателем с короткозамкнутой обмоткой ротора.

При нажатии на кнопку SB2 катушка контактора КМ получает питание, якорь контактора притягивается и в результате силовые контакты контактора замыкаются и подключают двигатель к сети. Одновременно с этим замыкается блокировочный контакт контактора и шунтирует кнопку SB2, что позволяет отпустить кнопку, не прерывая питания катушки контактора. Для останова двигателя нужно нажать на кнопку SB1. При этом цепь катушки контактора размыкается, якорь контактора отпадает и его силовые контакты размыкаются и отключают двигатель от сети. В случае перегрузки двигателя срабатывает тепловое реле и своими контактами КК размыкает цепь катушки контактора, что приводит к отключению двигателя.

Реверсивная схема управления асинхронным двигателем представлена на рис.2. От схемы требуется реверс двигателя за счет переворачивания местами двух фаз. При этом нужна блокировка, которая не давала бы включиться второму пускателю, если первый находится в работе и наоборот. Если включить два пускателя одновременно то произойдет короткое замыкание на силовых контактах пускателя.

Рис. 2 Пуск, реверс и остановка АД.

Включаем QF – автоматический выключатель, нажимаем кнопку SB2 «Пуск», подается напряжение на КМ1 катушку пускателя, пускатель срабатывает. Силовыми контактами включает двигатель, при этом шунтируется пусковая кнопка SB2.

Блокировка второго пускателя - КМ2 осуществляется, нормально замкнутым КМ1 - блок контактом. При срабатывании КМ1 - пускателя, размыкается КМ1 - блок контакт тем самым размыкает подготовленную цыпочку катушки второго КМ2 - магнитного пускателя.

Чтобы осуществить реверс двигателя, его необходимо отключить. Отключаем двигатель, нажатием кнопку SB1 «Стоп», снимается напряжение с катушки, которая находилась в работе. Пускатель и блок контакты под действием пружин возвращаются в исходное положение.

Схема готова к реверсу, нажимаем кнопку SB3 «Пуск назад», подаем напряжение на катушку - КМ2, пускатель - КМ2 срабатывает и включает двигатель в противоположном вращение. Кнопка SB3 шунтируется блок контактом - КМ2, а нормально замкнутый блок контакт КМ2 размыкается и блокирует готовность катушки магнитного пускателя - КМ1.

При срабатывании теплового реле KK, размыкается нормально замкнутый контакт KK, отключение происходит аналогично.

На следующей схеме (рис. 3), управления асинхронным двигателем, предусматривается динамическое торможение.

Рис. 3 Схема управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором и динамическим торможением.

Кроме описанных выше аппаратов схема содержит электромагнитное реле времени и контактор KM2, с помощью которого обмотка статора двигателя включается в сеть постоянного тока для осуществления динамического торможения.

При нажатии на кнопку SB2 «Пуск» срабатывает контактор KM1 и своими главными контактами включает двигатель в сеть. Один из вспомогательных контактов контактора KM1 шунтирует кнопку SB2, а другой подключает обмотку реле времени KДТ к сети постоянного тока. Якорь реле притягивается и связанные с ним контакты в цепи катушки контактора KM2 замыкаются. Однако контактор не срабатывает, так как цепь его катушки разомкнута вспомогательными контактами контактора KM1.

Для остановки двигателя нажимают на кнопку SB1 «Стоп» . Контакты кнопки в цепи катушки контактора KM1 размыкаются, контактор срабатывает, его силовые контакты размыкаются и отключают двигатель от сети переменного тока. Другие контакты кнопки SB1 замыкают цепь катушки контактора KM2, контактор срабатывает и своими силовыми контактами подключает обмотку статора двигателя к сети постоянного тока. Своими вспомогательными контактами контактор шунтирует кнопку SB1. Возникает динамическое торможение, и двигатель быстро останавливается. Одновременно с размыканием силовых контактов контактора KM1 размыкается и его вспомогательный контакт в цепи катушки реле времени KДТ. Реле начинает отсчет времени. По прошествии определенного времени, на которое оно рассчитано, якорь реле отпадает и размыкает свои контакты в цепи катушки контактора KM2. Контактор KM2 срабатывает — размыкает свои силовые контакты и отключает двигатель от сети постоянного тока. Схема возвращается в исходное положение — она снова готова к очередному пуску двигателя. Время выдержки реле времени KДТ должно быть несколько больше времени торможения, в противном случае динамическое торможение прекратится раньше, чем двигатель остановится.

Замкнутые вспомогательные контакты контактора KM2 в цепи катушки KM1 и вспомогательные контакты контактора KM1 в цепи катушки KM2 предотвращают возможность одновременного включения контакторов KM2 и KM1. Сопротивление Rt ограничивает значение тока при динамическом торможении.

Рассмотрим еще одну схему управления асинхронным двигателем, изображенной на рис. 4, торможение противовключением.

При нажатии кнопки SB2 «Пуск» включается контактор KM1 и начинается разгон АД, статорная обмотка которого подключается к сети через силовые контакты KM1. SR замыкает свои нормально разомкнутые контакты в цепи катушки контактора противовключения KM2, подготавливая его к включению. SR - индукционное реле контроля скорости. При нажатии кнопки SB1 «Стоп» контактор KM1 отключается и замыкается цепь питания катушки контактора KM2. Начинается режим торможения противовключением. При скорости, близкой к нулю, контакт SR размыкается и отключает контактор KM2. Схема возвращается в исходное положение.

Рис 4. Торможение противовключением АД.

4. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ТИРИСТОРНОГО ПУСКАТЕЛЯ

В лабораторной установке для пуска асинхронного двигателя используется тиристорный пускатель серии ПТ-40-380-У5.

Схема пускателя представлена на рис.1 и состоит из силовой схемы, схемы управления, схемы защиты и источника питания

Силовая часть состоит из тиристоров, включенных в каждую фазу встречно-параллельно.

Рис. 5 Принципиальная электрическая схема тиристорного пускателя ПТ-40-380-У5.

Принцип работы заключается в бесконтактном включении и отключении нагрузки, что осуществляется силовыми тиристорами. Управление силовыми тиристорами осуществляется широтно-импульсным методом. Импульсы управления тиристорами формируются из анодного напряжения тиристоров. Работу пускателя рассмотрим на примере одной фазы.

В исходном состоянии все тиристоры закрыты и находятся под фазным напряжением. После замыкания контактов реле РМ допустим, что положительная полуволна напряжения сети тиристора VS1 через управляющий переход тиристора VS2, контакт реле РМ, резистор R14 и управляющий переход тиристора VS1 будет протекать ток управления. Тиристор VS1 откроется. С открытие тиристора автоматически снимается сигнал управления, так как падения напряжения на открытом тиристоре не превышает 1В. При переходе тока через ноль тиристор VS1 закрывается. Теперь положительная полуволна напряжения сети будет приложена к аноду тиристора VS2. Ток управления будет протекать от анода к катоду тиристора VS2 через управляющий переход тиристора VS1, резистор R14, контакт реле РМ и управляющий электрод тиристора VS2. Тиристор VS2 откроется и с него автоматически снимается сигнал управления. Импульсы управления поступают на тиристоры синхронно с напряжением сети в начале каждого положительного полупериода, т. е. через 360 эл. град. Длительность импульсов управления зависит от времени открытия тиристоров и автоматически устанавливается оптимальной в зависимости от изменения cos нагрузки. Аналогично формируются импульсы управления тиристорами и в других фазах. При таком способе формирования импульсов управления контакты включенных реле практически находятся в обесточенном состоянии, так как через них проходит слаботочный сигнал, длительностью от десятков микросекунд до единиц миллисекунд в течении каждого полупериода тока. Поэтому срок службы реле определяется не электрической, а механической износоустойчивостью, которая у электромагнитных реле достигает десятков миллионов циклов.

Работает пускатель следующим образом. При подаче напряжения сети на клеммы пускателя Л1, Л2, Л3 получает питание трансформатор ТР.

Выпрямленное напряжение с выпрямителей подается на элементы схемы защиты. На элементы схемы управления напряжение с выпрямителя поступает только при нажатии кнопки «Пуск».

При замыкании кнопки «Пуск» реле РМ получает питание. После включения реле его нормально открытые контакты в цепях управление тиристоров замыкаются. Тиристоры открываются, и напряжение сети прикладывается к нагрузке.

При размыкании кнопки «Стоп» реле отключается, снимаются импульсы управления с тиристоров и нагрузка отключается.

Блок защиты предназначен для отключения пускателя в аварийных режимах и удержания его в отключенном состоянии до осмотра нагрузки и устранения неисправности. Резистор R6 служит для регулирования порога срабатывания максимальной токовой защиты, резистор R5 служит для регулирования порога срабатывания тепловой защиты от перегрузки.

Работает блок защиты следующим образом.

При нормальной работе пускателя транзисторы Т1 и Т2 закрыты, т. к. падение напряжения на резисторах R5 и R6 меньше опорных напряжений стабилитронов Ст1 и Ст2. Транзистор Т3 открыт. До увеличения напряжения на резисторах R5 и R6 до величины опорных напряжений стабилитронов Ст1 и Ст2 транзисторы Т1 и Т2 отпираются. Переход эмиттер-база транзистора Т3 закорачивается открытым тиристором Т1 через диод VD1.

Отпирающее напряжение между базой и эмиттером становится равным нулю и транзистор Т3 запирается. В результате реле РМ отключается. Транзисторы Т1 и Т2 остаются открытыми по цепи: точка 2 (+)блока защиты, переход эмиттер-коллектор транзистора Т1, резистор R2, переход база-эмиттер транзистора Т2, стабилитрон Ст1, точка 1 (-) блока защиты, то транзистор Т3 остается заперт до возвращения схемы в исходное состояние, для чего необходимо отключить напряжение сети на входе пускателя.

5. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА.

Лабораторная установка принципиальная схема которой показана на рис.2 , предназначена для изучения схемы запуска трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Электропитание стенда производится от сетей постоянного тока напряжением 220 В и переменного тока напряжением 380 В. В качестве нагрузки используется машина постоянного тока, работающая в генераторном режиме на активное сопротивление. Пуск двигателя осуществляется с помощью тиристорного пускателя. Для измерения частоты вращения используется тахогенератор типа ТМГ- 30. В качестве защитной аппаратуры от перегрузок и коротких замыканий в схеме стенда используются автоматические выключатели типа АЕ-20.

Номинальные данные асинхронного двигателя:

	Асинхронный двигатель	АОЛ2-11-4 У3
1.	Номинальная мощность, кВт	0,6
2.	Номинальное скольжение, %	10,0
3.	КПД, %	72,0
4.		0,76
5.	Перегрузочная способность	2,2
6.	Момент инерции АД, кг*м2	0,00042
7.	Частота вращения, об/мин	1360
8.	Момент инерции ДПТ , кг*м2	0,011

Рис. 6 Принципиальная электрическая схема стенда.

6. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ РАССЧЕТЫ

6.1. Расчет и построение механической характеристики.

Для построения механических характеристик АД необходимо:

- рассчитать номинальную угловую скорость вращения

- рассчитать номинальный момент АД по формуле: М_ном=, Н·м;

где , Вт - номинальная мощность,, рад/с - номинальная угловая скорость АД.

- определить критический момент по формуле:, Н·м;

- найти скорость вращения поля в воздушном зазоре АД : рад/с,

- вычислить критическое скольжение для двигательного режима работы АД по формуле:

Уточненная формула Клосса, имеет следующий вид:

Скольжение в двигательном режиме:

Скольжение в режиме динамического торможения:

- задавая скольжение в диапазоне от 0 до 1,0 рассчитать и построить механическую характеристику при номинальной частоте питающей сети.

6.2. Расчет и построение пусковой характеристики.

Для построения пусковой характеристики можно использовать следующую методику:

• разбить механическую характеристику на прямолинейные участки.

• графически или аналитически определить М_{дин.нач} и М_{дин.кон.} на каждом прямолинейном участке.

• рассчитать _.

• графически определить ∆ω, как разность ω_кон – ω_нач на каждом участке.

• используя основное уравнение движения рассчитать ∆t:

.

Для нахождения суммарного момента инерции воспользуемся следующими формулами:

• рассчитать скорость ω₁=0+∆ω₁ – для первого, ω₂=0+∆ω₁ +∆ω₂ – второго и последующих участков.

• аналогично рассчитать время t на каждом участке.

• полученные данные свести в таблицу 1 и построить пусковую характеристику ω=f(t).

Таблица 1.

№	Мдин.нач, Н·м	Мдин.кон, Н·м	Мдин.ср, Н·м	∆ω,рад/с	∆t, с	ω, рад/с	t, с
1
2
…

3. Расчет и построение скоростной характеристики.

Методика расчета скоростных характеристик следующая:

- рассчитать номинальный ток статора: , А;

- оценить значение тока намагничивания: , А;

- определяем номинальный приведенный ток ротора: , А;

- приведенное активное со противление ротора находим, используя выражение для потерь мощности в роторе: , Ом;

- найти значение реактивной мощности АД в номинальном режиме, используя соотношение: , Вт;

- индуктивное сопротивление вычислить на основе формулы:, ;

- активное сопротивление статора определить, используя соотношение для известного значения критического момента:, Н·м;

где - расчетный коэффициент

, Ом

, А;

- задавая скольжение в диапазоне от -1 до 1 рассчитать электромеханическую характеристику.

7. ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

7.1. Исследование релейно-контакторных схем

7.1.1 Перевести реостат Rа в крайнее правое положение.

Перевести переключатель Q в положение 2.

Перевести переключатель SA в положение 3.

Перевести переключатель QS1 в положение «вкл».

Перевести переключатель QS2 в положение «выкл».

Включить автоматические выключатели QF1, QF2.

Осуществить запуск асинхронного двигателя с помощью кнопки SB2.1 «Пуск». Вращая реостат Rа, справа налево изменять ток двигателя в пределах от минимального до 1.1*Iн значения тока. Скорость определять по вольтметру PV. Результаты записать в таблицу 1 протокола.

После снятия показаний перевести реостат Rа в изначальное положение, нажать кнопку SB2.2 «Стоп».

7.1.2 Перевести SA в положение 1.

Собрать релейно-контакторную схему «Пуск – стоп» АД.

Запустить двигатель с помощью релейно-контакторной схемы.

7.1.3 Собрать релейно-контакторную схему «Пуск – стоп – реверс» АД.

Запустить двигатель с помощью релейно-контакторной схемы.

7.1.4 Собрать релейно-контакторную схему «Пуск – динамическое торможение» АД.

Выставить расчетное значение сопротивления динамического торможения .

7.2. Исследование тиристорного пускателя.

Подготовить тиристорный пускатель к включению см. п. 2.1.

Подключить осциллограф к выводам 1, 2. Нажать кнопку «Пуск 1». Сохранить получившуюся характеристику в осцилографе.

8. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ.

• Построить расчетную механическую характеристику, указать номинальный, пусковой и критический моменты.

• Построить расчетную и экспериментальную электромеханические характеристики оценить степень расхождения.

• Построить расчетную и экспериментальную пусковые характеристики оценить степень расхождения.

• Краткие выводы о проделанной работе.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА.

1. Схема лабораторной установки.

2. Программа работы.

3. Результаты измерений.

4. Графики.

5. Выводы о проделанной работе.

Протокол

к работе «Исследование схем запуска асинхронного двигателя с помощью пускателей».

Снятие электромеханической характеристики.

Таблица 1.

Скорость вращения , рад/с	Ток I, А	Момент М, Н

ЛИТЕРАТУРА

1. И.Г. Чиликин, А.С. Сандлер. «Общий курс электропривода».

2. С.Н. Вешеневский « Характеристики двигателей в электроприводе».

3. В.А. Селиванов «Системы управления электроприводами».