Р/л технология
Главная 
Радиолюбителю Р/л технология
Устройство защиты электродвигателя от неполнофазного режима реагирует на прерывания в подаче на трехфазный электродвигатель напряжения любой из трех фаз.
Схема усовершенствованного устройства изображена на рисунке. Нажатием на кнопку SB1 подают напряжение на катушку магнитного пускателя КМ1, включающего электродвигатель Ml. Надежное срабатывание пускателя при питании его катушки, рассчитанной на 380 В переменного напряжения, меньшим по амплитуде пульсирующим напряжением обеспечивается за счет значительной постоянной составляющей последнего.
Одновременно со срабатыванием пускателя напряжение поступает на анод и управляющий электрод тринистора VS1. Теперь конденсатор С1 подзаряжается через периодически открывающийся тринистор, напряжение на нем остается достаточным для удержания пускателя КМ1 в сработавшем состоянии. В случае пропадания напряжения любой из фаз тринистор прекращает открываться, конденсатор быстро разряжается и пускатель отключает двигатель от сети.
Автор: В. Яковлев, г. Шостка Сумской обл., Украина
Дата публикации: 30.01.2010
Мнения читателейВы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному вышематериалу:
www.radioradar.net
Одной из причин выхода из строя трехфазных асинхронных двигателей (АД) является их работа в неполнофазном режиме, который возникает из-за перегорания плавкой вставки предохранителей в цепи асинхронного двигателя вследствие короткого замыкания или неправильного ее выбора.
Неполнофазный режим работы асинхронного двигателя возникает также при нарушении контактов в одной из фаз коммутационных аппаратов, например, в магнитных пускателях, рубильниках, контакторах и т.д., с помощью которых асинхронный двигатель включается в работу. Нарушение контактов может возникать и в предохранителях, защищающих АД. Отказ асинхронного двигателя из-за неполнофазного режима работы составляет 40-50% от общего числа аварийных режимов.
Ранее предлагались устройства для защиты асинхронного двигателя от работы на двух фазах, содержащие катушки индуктивности на кольцевом магнитопроводе, или трансформаторы тока, включенные в фазные провода асинхронного двигателя, полупроводниковые приборы и исполнительные реле, контакты которых включены в цепь магнитного пускателя асинхронного двигателя. При всех положительных качествах эти устройства защиты имеют и недостатки.
К недостаткам следует отнести относительную сложность их схем, наличие нестандартных моточных элементов, например, катушек индуктивности, самодельных трансформаторов тока и нескольких исполнительных реле, что снижает надежность устройства, увеличивает его массу, габаритные размеры и стоимость. Кроме того, устройства требуют наладки и экспериментального подбора числа витков вторичной обмотки трансформаторов тока в зависимости от мощности защищаемого асинхронного двигателя.
Все эти недостатки затрудняют практическую реализацию устройств на производстве. Простое техническое решение представлено на сайте рисунок 1, обеспечивающее защиту асинхронного двигателя при перегорании планкой вставки предохранителя или плохих контактах в коммутационных аппаратах, прототипом которого является один из авторских вариантов устройств защиты асинхронного двигателя.
Устройство содержит три неоновые лампочки HL1 HL3, которые шунтируют, например, предохранители в каждой фазе асинхронного двигателя. Неоновые лампочки могут шунтировать и контакты коммутационных аппаратов, и всю защищаемую цепочку из предохранителей и контактов коммутационных аппаратов, как показано на рисунке пунктирными линиями. Последовательно с неоновыми лампочками включены токоограничивающие резисторы R1 — R3.
Схема управления устройством содержит исполнительный элемент — реле К1, последовательно с которым включен полупроводниковый ключ — тиристор VS1. Цепь управления тиристором содержит фоторезистор R, токоограничивающий резистор R4 и защитный диод VD1. Размыкающие контакты К1.1 исполнительного элемента К1 включены последовательно с блок-контактами К2.1 магнитного пускателя К2, которые шунтируют пусковую кнопкуS1 двигателя. Диод VD2 обеспечивает защиту тиристора от обратного напряжения, диод VD3 и конденсатор CI повышают надежность работы исполнительною элемента.
Устройство работает следующим образом. При исправных предохранителях последние шунтируют неоновые лампочки и напряжение на них отсутствует. В результате фоторезистор имеет большое сопротивление, тиристор закрыт, исполнительный элемент л 1 обесточен, а его контакты К1.1 замкнуты. При отказе любого из предохранителей (перегорание планкой вставки, плохой контакт) на зажимах неоновой лампочки появляется напряжение, в результате лампочка зажигается и освещает фоторезистор. Сопротивление его значительно уменьшается, что приводит к открытию тиристора и срабатыванию исполни тельною элемента К1, контакты которою К1.1 размыкаются и разрывают цепь управления катушки магнитного пускателя К2.
Магнитный пускатель отключает асинхронный двигатель от сети, и схема защиты двигателя приходит и исходное состояние. Подобным образом работает устройство и при контроле исправности коммутационных аппаратов, но при этом в цепь катушки реле К1 или диода VD1 необходимо ввести дополнительные блоки-контакты (замыкающие) магнитного пускателя К2 (на схеме не показаны), которые разрывают цепь питания реле К1 или цепь управления тиристором в отключенном положении асинхронного двигателя.
В устройстве использованы миниатюрные неоновые лампочки TН-0,2 с напряжением зажигания 85 В, фоторезистор R типа СФ2 5, СФ2-6; резисторы R1 — R5 тина МЛ Т-0,25; диоды Д226Б, КД105Б; стабилитрон — Д814А, КС168А, КС156А; конденсатор типа КМ-5; тиристор-КУ110А на ток 0,3А и прямое напряжение 300 В; исполнительный элемент К1 — реле переменного тока на 220 В типа РП-21, РП-25 или МКУ -48.
Возможно использование реле более низких напряжений (в пределах допустимого тока тиристора), так как устройство работает кратковременно, т.е. только на период отключения асинхронного двигателя. Неоновые лампочки ТН-0,2 можно заменить на ТН-0,5, МН-3 или тиратроны МТХ -90, соединив анод и сетку между собой и уменьшив сопротивление резисторов R1-R3 до 180 кОм. Вместо тиристора КУ110А можно использовать тиристоры КУ107А, КУ107Б, КУ103В.
Монтируется устройство непосредственно в корпусе исполнительною элемента К1 (реле PIT-25), корпус которого должен быть светонепроницаемым. Возможен также монтаж устройства в корпусе магнитного пускателя K2 при использовании малогабаритных реле, например, реле переменного тока на 220В типа РП-21. Устройство не потребляет электроэнергии в дежурном режиме, не требует наладки и начинает работать сразу же мри исправных элементах и правильном монтаже.
www.radiochipi.ru
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты трехфазных асинхронных электродвигателей от неполнофазных режимов и перегрузки. Технический результат заключается в повышении надежности и расширении функциональных возможностей. Устройство содержит датчик несимметрии напряжений питающей сети, первый, второй и третий пороговые блоки, блок задержки сигналов, блок опорного напряжения, исполнительный блок, первый и второй трансформаторы тока, датчик тока несимметрии токов фаз электродвигателя, причем для исключения гальванической связи устройства и электрической сети были дополнительно введены: диодная оптопара в датчик несимметрии напряжений питающей сети, а в блок опорного напряжения - разделительный трансформатор. Для выявления причины отключения электродвигателя дополнительно введен четвертый пороговый блок, который в зависимости от ненормального режима работы сети или электродвигателя подает положительный импульс на светодиоды, сигнализирующие о причине отключения электродвигателя. 2 ил.
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты трехфазных асинхронных электродвигателей от неполнофазных режимов и перегрузки.
Известны устройства для защиты трехфазных асинхронных электродвигателей от обрыва фаз, содержащие фазные датчики, пороговые элементы, выходное реле, RC-фильтры, блок управления, фильтры тока обратной последовательности и усилитель мощности /см. а.с. 1580479, кл. Н 02 Н 7/08, 1990 г., а.с. 2126037, Н 02 Н 3/26, 1999 г./.
Недостатком таких устройств является отсутствие гальванической развязки устройства с питающей электродвигатель сетью, что снижает надежность. Также к недостаткам можно отнести отсутствие контроля несимметрии напряжения, поэтому нельзя определить, по какой причине отключился электродвигатель - от обрыва фазы или виткового замыкания обмотки электродвигателя, что является низкой функциональной возможностью устройства.
Известно также устройство, выбранное в качестве прототипа заявляемого технического решения и описанное в а.с. N1584028, кл. Н 02 Н 7/08, 1990 г., для контроля и защиты электродвигателя от неполнофазных режимов и витковых замыканий, содержащее трансформаторы тока, блоки контроля несимметрии токов и напряжений, термодатчик, блок опорного напряжения, первый и второй пороговые блоки.
Недостатком такого устройства является необходимость соединять нулевую точку обмотки электродвигателя, соединенную в звезду, с нулевой точкой устройства, что снижает надежность устройства, при помехах в сети, например при коммутационных перенапряжениях, а также при изменении сопротивления заземляющего устройства, будут изменяться токи и напряжения нулевой последовательности, что приведет к некорректной работе устройства.
Технический результат - повышение надежности и расширение функциональных возможностей.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для защиты электродвигателя от неполнофазных режимов и перегрузки, содержащем датчик несимметрии напряжений питающей сети, входы которого имеют клеммы для подключения к соответствующим фазам питающей сети, первый, второй и третий пороговые блоки, блок задержки сигналов, блок опорного напряжения, исполнительный блок, первый и второй трансформаторы тока в цепи питания электродвигателя, датчик тока несимметрии токов фаз электродвигателя, в него дополнительно введены оптопара в схеме датчика несимметрии напряжений питающей сети, четвертый пороговый блок, первый вход которого соединен с первым входом третьего порогового блока и выходом датчика несимметрии напряжений питающей сети, а третий вход соединен с первым входом второго порогового блока и вторым выходом блока задержки сигнала, первый вход которого соединен с выходом датчика тока несимметрии токов фаз электродвигателя, к которому подключены первый и второй трансформаторы тока, при этом вторичная обмотка второго трансформатора соединена с вторым входом блока задержки сигнала, а первый выход блока задержки сигнала соединен с первым входом первого порогового блока, выходы первого, второго и третьего пороговых блоков соединены между собой и подключены к первому входу исполнительного блока, второй и третий входы которого соединены с первым и вторым входом блока опорного напряжения и подключены к фазному напряжению сети, а четвертый вход исполнительного блока подключен к первому выходу блока опорного напряжения, при этом вторые входы первого, второго, третьего и четвертого пороговых блоков соединены между собой и подключены к второму выходу блока опорного напряжения.
Введение четвертого порогового блока позволяет определить причину отключения электродвигателя от сети заявленным устройством по световой индикации светодиодов. Использование датчика тока несимметрии токов фаз электродвигателя и датчика несимметрии напряжения фаз, реагирующих на изменение токов и напряжений обратной последовательности соответственно, а также введение в датчик несимметрии напряжения фаз диодной оптопары и разделительного трансформатора в блок опорного напряжения, позволяет применить схему, гальванически несвязанную с внешней питающей сетью, чем улучшается надежность заявленного устройства. При этом для нормального функционирования устройства не нужно соединять нулевую точку обмоток статора электродвигателя с заземляющим устройством, что является необходимым условием для нормального функционирования прототипа, что приводит к снижению надежности известного устройства.
На фиг.1 приведена блочная схема устройства, на фиг.2 приведена принципиальная схема устройства.
Устройство содержит трансформаторы 1, 2 тока в цепи электродвигателя 3, вторичные обмотки которых подключены к датчику 4 несимметрии токов фаз электродвигателя, выход которого подключен к блоку 5 задержки сигнала, к которому также подключена вторичная обмотка трансформатора 2 тока. Первый выход блока 5 задержки сигнала подключен к первому входу порогового блока 6, а второй выход подключен к первому входу порогового блока 7 и третьему входу порогового блока 8, первый вход которого соединен с первым входом порогового блока 9 и подключен к выходу датчика 10 несимметрии напряжения фаз питающей сети, который подключен к фазным проводам питающей сети. Выходы пороговых блоков 6, 7, 9 соединены между собой и подключены к первому входу исполнительного блока 11, второй и третий вход которого соединен с первым и вторым входом блока 12 опорного напряжения и подключен к фазному напряжению питающей сети. Первый выход блока 12 опорного напряжения подключен к четвертому входу исполнительного блока 11, а второй выход подключен к вторым входам пороговых блоков 6, 7, 8 и 9.
Датчик 4 тока несимметрии токов фаз электродвигателя содержит RC-сдвигающую связь, выполненную на резисторах 13, 14, 15 и конденсаторе 16. Сопротивление резисторов и емкость конденсатора подобраны таким образом, чтобы в нормальном режиме сдвиг векторов падений напряжений на резисторах 14, 15 составлял 180 электрических градусов, а длины этих векторов напряжений были равны.
Блок 5 задержки сигнала выполнен в виде двух RC-цепей, которые содержат резисторы 17, 18, 19, 20, 21, 22, конденсаторы 23, 24 и диоды 25, 26. Этот блок исключает возможность срабатывания пороговых блоков 6, 7 и исполнительного блока 11 при пуске электродвигателя 3.
Пороговые блоки 6, 7, 9 выполнены в виде RS-триггеров 27, 28, 29, причем на R-входы подается опорное напряжение, а Т-выходы каждого триггера шунтированы светодиодами 30, 31, 32 и соединены с диодами 33, 34, 35 соответственно.
Пороговый блок 8 выполнен в виде двух RS-триггеров 36, 37, Т-выходы которых шунтированы светодиодами 38, 39, а на R-входы подается опорное напряжение. При этом S-вход триггера 36 соединен с Е-входом триггера 37 и является первым входом порогового блока 8, а S-вход триггера 37 соединен с Е-входом триггера 36 и является третьим входом порогового блока 8. Этот блок дает возможность определить, какой защитой отключился электродвигатель 3, защитой от несимметрии напряжения (загорается светодиод 38) либо защитой от несимметрии токов (загорается светодиод 39).
Датчик 10 несимметрии напряжения фаз питающей сети содержит RC-сдвигающую связь, выполненную на резисторах 40, 41 и конденсаторах 42, 43, средние точки которой подключены к диодному мосту 44, выход которого через стабилитрон 45, резисторы 46, 47 и конденсатор 48 подключен к фотодиодной оптопаре 49, которая подключена к выходу датчика 10 несимметрии напряжения фаз питающей сети.
Исполнительный блок 11 содержит два транзисторных ключа, выполненных на транзисторах 50, 51 и резисторах 52, 53, 54. Связь между тиристором 55 и транзисторным ключом выполнена на оптопаре 56, вход которой подключен к коллектору транзистора 51, а выход шунтирован регулировочными контактами 57. При этом последовательно оптопаре включен резистор 58, а между анодом и управляющим электродом тиристора 55 включено сопротивление 59. Также исполнительный блок 11 содержит кнопку 60 "Стоп", которая подключена к кнопке 61 "Пуск", шунтированной блок-контактами 62, которая подключена к включающей катушке 63, которая подключена к нулевому проводнику.
Блок 12 опорного напряжения питания содержит разделительный трансформатор 64, первичная обмотка которого подключена к питающей сети, а вторичная - к диодному мосту 65, который нагружен стабилитроном 66, сглаживающим конденсатором 67 и сигнализирующим о наличии напряжения фотодиодом 68, включенным через резистор 69. Также в цепь опорного напряжения включен конденсатор 70 и резистор 71 для обнуления Е-входа триггера 27.
Включение и отключение электродвигателя 3 от сети осуществляется автоматическим выключателем 72 и контактором 73, включающей катушкой которого является катушка 63.
Устройство работает в двух режимах "Работа" и "Настройка". В режиме "Работа" устройство работает следующим образом.
В исходном положении ключ 57 открыт, кнопка 60 "Стоп" замкнута. При включении автоматического выключателя 72 появляется напряжение на выходе блока 12 опорного напряжения питания. В первый момент времени заряжается конденсатор 70, чем обнуляются значения напряжений на Т-выходах всех триггеров 27, 28, 29. При допустимой несимметрии напряжений сети напряжение на выходе датчика 10 несимметрии напряжения фаз питающей сети недостаточно для включения триггеров 29 и 36, а ток в цепи от контактора 73 до электродвигателя 3 отсутствует, то и напряжение на S-входах триггеров 27, 28 отсутствует. Поэтому все триггеры закрыты, соответственно закрыт транзистор 50, а транзистор 51 открыт. Ток протекает через диод оптопары 56, вследствие чего оптопара открывается и поступает сигнал на открытие тиристора 55. При нажатии кнопки 61 "Пуск" катушка 63 подтягивает силовые контакты контактора 73 и блок-контакт 62. На двигатель 3 подается напряжение.
При возникновении несимметрии тока сумма падений напряжений на резисторах 14, 15 становится отличной от нуля и на выходе датчика 4 тока несимметрии токов фаз электродвигателя появляется напряжение, которое выпрямляется диодом 25 и заряжает первую RC-цепь блока 5 задержки сигнала. При дальнейшей несимметрии конденсатор заряжается и формируется положительный импульс на S-входе триггера 28 и 37 и Е-входе триггера 36, что запрещает триггеру 36 открыться даже при возникновении положительного импульса на S-входе, который появляется при несимметрии напряжения. При открытии триггеров 28 и 37 загораются светодиоды 31, 39, а светодиод 38 не загорается, что сигнализирует о несимметрии фазных токов. Затем появляется положительный импульс на базе транзистора 50, он открывается, а транзистор 51 закрывается, ток в цепи коллектора транзистора 51 прекращает течь и закрывается оптопара 56. В результате этого тиристор 55 закрывается и обесточивается катушка 63, контактор 73 отключается и двигатель 3 отключается.
При возникновении перегрузки по току заряжается вторая RC-цепь блока 5 задержки сигнала, если ток в фазе не уменьшается, а напряжение на S-входе триггера 27 превышает предел срабатывания триггера 27, то он открывается. Появляется положительный сигнал на фотодиоде 30, что сигнализирует о перегрузке, и срабатывает исполнительный блок 11, обесточивается катушка 63, контактор 73 отключается и двигатель 3 отключается.
При возникновении несимметрии напряжения сумма падений напряжений на резисторе 40 и конденсаторе 43 становится отличной от нуля. На выходе диодного моста 44 появляется напряжение, заряжается конденсатор 48 и, если несимметрия напряжения не прекращается, то открывается оптопара 49 и формируется положительный импульс на S-входе триггеров 29 и 36 и Е-входе триггера 37, что запрещает триггеру 37 открыться даже при возникновении положительного импульса на S-входе, который появляется при несимметрии токов. При достижении определенной величины напряжения на S-входе триггеров 29 и 36 открываются, вследствие чего загораются светодиоды 32, 38, а светодиод 39 не загорается, что сигнализирует о несимметрии напряжения. Затем срабатывает исполнительный блок 11, обесточивается катушка 63, контактор 73 отключается и двигатель 3 отключается.
В режиме "Настройка" устройство работает следующим образом. Ключ 57 замкнут. Включается автоматический выключатель 72, нажимается кнопка 61 "Пуск", т.к. ключ 57 шунтирует оптопару 56, то тиристор 55 будет открыт независимо от напряжения на входе исполнительного блока 11. Поэтому двигатель 3 можно отключить лишь нажатием кнопки 60 "Стоп". Таким образом, о действии триггеров можно судить лишь по загоранию фотодиодов. В режиме "Настройка" происходит настройка величин сопротивлений резистора 47 для отстройки от несимметрии напряжения, резистора 17 для отстройки от несимметрии токов, резистора 20 для отстройки от токов перегрузки.
Таким образом, данное устройство можно использовать для защиты электродвигателя от перегрузки, несимметрии напряжения и тока фаз электродвигателя. При этом использование схемы разделения срабатывания триггеров позволяет выявлять каждую из причин. Такая функция полезна тем, что возможно быстрое восстановление технологического процесса, в котором участвует электродвигатель, путем устранения конкретной неисправности.
Устройство для защиты электродвигателя от неполнофазных режимов и перегрузки, содержащее датчик несимметрии напряжений питающей сети, входы которого имеют клеммы для подключения к соответствующим фазам питающей сети, первый, второй и третий пороговые блоки, блок задержки сигналов, блок опорного напряжения, исполнительный блок, первый и второй трансформаторы тока в цепи питания электродвигателя, датчик тока несимметрии токов фаз электродвигателя, отличающееся тем, что в него дополнительно введены оптопара в схеме датчика несимметрии напряжений питающей сети, четвертый пороговый блок, первый вход которого соединен с первым входом третьего порогового блока и выходом датчика несимметрии напряжений питающей сети, а третий вход соединен с первым входом второго порогового блока и вторым выходом блока задержки сигнала, первый вход которого соединен с выходом датчика тока несимметрии токов фаз электродвигателя, к которому подключены первый и второй трансформаторы тока, при этом вторичная обмотка второго трансформатора соединена со вторым входом блока задержки сигнала, а первый выход блока задержки сигнала соединен с первым входом первого порогового блока, выходы первого, второго и третьего пороговых блоков соединены между собой и подключены к первому входу исполнительного блока, второй и третий входы которого соединены с первым и вторым входом блока опорного напряжения и подключены к фазному напряжению сети, а четвертый вход исполнительного блока подключен к первому выходу блока опорного напряжения, при этом вторые входы первого, второго, третьего и четвертого пороговых блоков соединены между собой и подключены ко второму выходу блока опорного напряжения.
www.findpatent.ru
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления и защиты асинхронных двигателей при неполнофазном режиме работы питающей сети. Техническим результатом является создание устройства, обеспечивающего надежную защиту двигателя при неполнофазном режиме. Особенность устройства управления и защиты асинхронного двигателя при неполнофазном режиме состоит в том, что оно применимо как на проектируемых, так и на действующих электроустановках, так как в устройстве возможно использовать магнитные пускатели и контакторы действующих электроустановок. Для этого необходимо перемотать намагничивающую катушку пускателя на две секции, чтобы получить доступ к среднему витку катушки, рассчитанной на линейное напряжение. Произведенные расчеты для некоторых типов пускателей третьего габарита показывают, что емкость конденсаторов, включенных последовательно с секциями на время пуска, составляет порядка 2,5 мкФ, а емкость конденсаторов, включаемых на все время включенного состояния пускателей, составляет порядка 0,35 мкФ. Управление устройством осуществляется включением в цепь среднего витка кнопки "Пуск" и "Стоп" или управляющего датчика. Достоинство устройства состоит также в том, что оно может быть внедрено персоналом самих предприятий, не дожидаясь производства устройств на электроаппаратных заводах электроэнергетической отрасли, содержащих двухсекционные катушки на магнитных пускателях и контакторах и комплектующие конденсаторы. 10 ил.
Изобретение относится к устройствам, предназначенным для дистанционного управления и защиты двигателей трехфазного тока, в действующих и проектируемых электроустановках, при возникновении неполнофазного режима в питающей сети, и касается конструкции магнитных пускателей и контакторов, используемых в устройстве.Как известно, для дистанционного управления электроустановками, в частности, используются магнитные пускатели и контакторы, включаемые на фазное или линейное напряжение трехфазной сети. (Л-1, стр. 271 и 275).Известно, что при потере напряжения на одной фазе включенный двигатель продолжает работать.На фиг.1 и фиг.2 показана цепь намагничивающего тока, называемого током подпитки. Создаваемая этим током намагничивающая силаFn=In·Wkдостаточна для удержания магнитного пускателя в сработавшем состоянии.В одном случае обрыва фазы возможно включение пускателя и двигателя на две фазы, фиг. 3.Неполнофазный режим работы питающей сети вызывает опасные перегрузки по току у двигателей трехфазного тока и является главной причиной их повреждения.Защита двигателей от перегрузки с помощью теплового реле не обладает в этом случае требуемой степенью надежности.Ненадежная работа устройств защиты асинхронных двигателей на действующих электроустановках является причиной многочисленных случаев их повреждения. Наиболее часто повреждаются двигатели небольшой мощности и двигатели, работающие в автоматическом повторно-кратковременном режиме.Цель изобретения состоит в поиске новых технических решений по созданию устройств, обеспечивающих надежную защиту двигателей при неполнофазном режиме как на действующих, так и на проектируемых электроустановках.На действующих электроустановках поставленная цель достигается тем, что намагничивающая катушка контактора или магнитного пускателя, рассчитанная на линейное напряжение, подключается к трем фазам цепи, питающей электродвигатель, к одной фазе - средним витком напрямую, а к двум другим фазам - крайними витками через последовательно включаемые конденсаторы, фиг. 4.Конденсаторы C1 включаются в цепь катушками кратковременно - на момент пуска двигателя, а конденсаторы С2 - на все время включенного состояния.Емкость конденсаторов первой группы выбирается такой, чтобы ток в катушке при включении пускателя на две фазы был меньше минимального тока, необходимого для срабатывания пускателя, а емкость конденсаторов второй группы такой, чтобы ток, удерживающий пускатель в сработавшем состоянии, при обрыве одной фазы снижался до величины, меньшей необходимого для удержания.Точка присоединения фазы к среднему витку делит катушку на две секции с равным числом витков
В действующих электроустановках доступ к среднему витку катушки пускателя осуществляется путем ее перемотки на две секции.При полнофазном режиме работы питающей сети токи в секциях сдвинуты по фазе на 120
. Создаваемые токами намагничивающие силы также сдвинуты на 120F1=I1·Wc; F2=I2·Wc
(фиг. 5).При неполнофазном режиме возможны два случая.1. Обрыв фазы, к которой присоединен средний виток (средняя точка) катушки, фиг. 6.Намагничивающую силу в этом случае создают две секции, соединенные последовательно и включенные на линейное напряжениеF’k=Ik·Wk2. Обрыв фазы, подключенной к крайним виткам, фиг. 7 и фиг. 8.Намагничивающая сила в этом случае создается одной секцией, включенной на линейное напряжение 
Кроме того, в этом случае намагничивающая сила создается током подпитки, проходящим через включенные главные контакты пускателя и статорную обмоткуFn=In·WcЭта дополнительная намагничивающая сила, создаваемая секцией, подключенной к оборванной фазе, находится в противофазе с намагничивающей силой, создаваемой секцией, включенной непосредственно на линейное напряжение, ослабляет намагничивающую силу катушки и является положительным факторомF’k=F1.2-FnРасчет емкости, включаемой на все время сработавшего состояния пускателя, производится с учетом первого случая обрыва. Расчетная схема представлена на фиг. 9.Сопротивление цепи - Zц.уд, при котором ток в цепи катушки ограничивается до Imin.уд, минимально необходимого для удержания пускателя в сработавшем состоянии, согласно Л1, стр. 118, равно 
Решая совместно уравнения (1) и (2) относительно Хс2, имеем 
Полученное расчетное уравнение представляет собой квадратное уравнение вида x2+px-q=0, где XC2=X; 
Значения величин в расчетном уравненииZк.уд; rк; Imin.уд; Imin.вкл на действующих электроустановках находят измерением и по паспортным данным;
л - линейное напряжение трехфазной сети.По найденному значению емкостного сопротивления конденсатора вычисляют его емкость и напряжение 
Л1, стр. 115С2=Imin.уд·XC2По каталогу выбирается ближайшее меньшее значение емкости.Активное сопротивление катушки пускателя во включенном состоянии пускателя во много раз меньше индуктивного и им можно пренебречь.С учетом этого обстоятельства расчетная формула принимает более компактный вид 
Выбор емкости конденсаторов, включаемых в цепь катушки пускателя при пуске двигателя, осуществляется согласно расчетной схеме фиг.10 по аналогичным формулам 
C1=Imin.вкл·Xc1При полнофазном режиме токи Imin.вкл и Imin.уд увеличиваются в 
раз, что и обеспечивает нормальное функционирование пускателя.Предлагаемое техническое решение по управлению и защите асинхронных двигателей при возникновении неполнофазного режима пригодно как для действующих, так и для проектируемых электроустановок.Устройство не известно по источникам технической информации, обладает полезной и существенной новизной и требуемым уровнем патентоспособности.Источники информации1. Электротехника с основами промышленной электроники, В.Е.Китаев, П.С.Шляпинтох, изд. Высшая школа, М., 1973 год.2. Защита асинхронных электродвигателей от работы на двух фазах, кандидат технических наук Е.Н.Зимин, УДК 321.313.333: 621.316.925.3. Бюллетени технической информации №№8, 21, 22 за 1978 год и №№5,15 за 1979 год.4. Статистика местных предприятий о повреждаемости асинхронных двигателей.Формула изобретения
Устройство управления и защиты асинхронного двигателя при неполнофазном режиме работы питающей сети, состоящее из магнитного пускателя или контактора и двух групп конденсаторов, регулирующих ток в катушке, не допуская включения пускателя на две фазы и его работу на двух фазах, отличающееся тем, что катушка пускателя включается на три фазы цепи, питающей двигатель, - к одной фазе средним витком напрямую, к двум другим фазам - крайними витками через последовательно присоединяемые конденсаторы: одной группы - на момент включения пускателя, другой - на все время ее включенного состояния, емкость конденсаторов первой группы выбирается такой, чтобы ток при попытке включения на две фазы был меньше минимального тока срабатывания пускателя, а емкость конденсаторов второй группы такой, чтобы ток, удерживающий пускатель в сработавшем состоянии, при обрыве одной фазы снижался до величины, меньшей необходимого для удержания.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9www.findpatent.ru
Перегрузка и несимметричное питающее напряжение являются основными причинами выхода из строя электродвигателей в сельском хозяйстве. Наиболее простыми устройствами защиты являются фильтры симметричных составляющих, которые подразделяются на фильтры напряжения прямой, обратной и нулевой последовательности [1]. Так как в сети 10 кВ используют систему с изолированной нейтралью, то при обрыве фазы питающей сети на стороне высшего напряжения трансформатора 10/0,4 кВ напряжения нулевой последовательности не возникает. В этом случае целесообразно использовать в качестве устройства защиты фильтры напряжения прямой или обратной последовательности.
Обычно фильтры напряжений обратной последовательности (ФНОП) изготавливают активно-ёмкостными с тремя входами А, В, С, и двумя выходными зажимами m и n (рисунок 1).
Рисунок 1 – Схема ФНОП.
Рассмотрим работу ФНОП, если к нему подведено напряжение прямой последовательности А, В, С. Под действием напряжения UАВ через цепь С1R1 протекает ток I1, опережающий напряжение UAB на угол φ1. Этот ток создаёт падение напряжения на конденсаторе С1 и резисторе R1, определяя положение точки m на топографической диаграмме (рисунок 2).
Под действием напряжения UВС протекает ток I2, создавая падение напряжения на резисторе R2 и конденсаторе С2, которые определяют положение точки n на топографической диаграмме. Параметры элементов фильтра напряжений обратной последовательности выбирают таким образом, что точки m и n совпадали на топографической диаграмме.
Это происходит в том случае, если:
Для уменьшения рассеиваемой мощности резисторы фильтра обратной последовательности выбирают порядка сотен килоОм, поэтому ФНОП имеет большое выходное сопротивление и подключить к его выходу обычное реле, которое своими контактами разомкнуло катушку магнитного пускателя нельзя. Для этого было принято решение использовать энергию предварительно заряженного конденсатора, а качестве реле использовать токовое указательное реле РУ1-11, которое исключает повторный запуск электродвигателя и выполняет функцию индикации об аварийном режиме. В качестве исполнительного элемента используется полупроводниковый прибор – динистор, который выполняет функцию ключа.
В реальности конденсаторы С1 и С2, резисторы R1 и R2 имеют разброс параметров, поэтому на выходе фильтра всегда присутствует напряжение небаланса 0…20 В. Для исключения этого явления напряжение включения динистора VD1 всегда должно быть больше напряжения небаланса. При кратковременной импульсной помехе возможно ложное срабатывание динистора, поэтому параллельно ему включает конденсатор (рисунок 4) [2].
Рисунок 4 – Подключение накопительного конденсатора С3 к ФНОП
Когда напряжение на накопительном конденсаторе С3 достигает напряжения включения динистора VD1, конденсатор С3 разряжается на катушку реле KV1 (рисунок 4). Реле разомкнет свои контакты в цепи магнитного пускателя и отключит электродвигатель. Очевидно, что энергии накопительного конденсатора должно хватать для надежного срабатывания реле, а это возможно лишь в том случае, если ток, протекающий через обмотку реле больше тока срабатывания в течении определенного времени, которое должно быть больше времени срабатывания.
Отсюда следует, что динистор выполняет роль ключа, поэтому составим схему коммутации (рисунок 5).
Рисунок 5 — Схема коммутации
Так как обмотка реле представляет собой последовательно соединенные активное и индуктивное сопротивление, то при разрядке конденсаторов С3 и С4 возникает переходный процесс. Очевидно, что емкость С4 будет разряжаться через сопротивление ключа S1 и не окажет влияние на величину тока I, протекающего через обмотку указательного реле, представленного активным сопротивлением R и индуктивностью L.
Ключ S1, выполненный на динисторе КН102 (зарубежный аналог DB3), не является идеальным, поэтому на нем происходит падение напряжения, составляющее порядка 1,5 В…1,7 В в зависимости от температуры [3]. Очевидно, что при открытии динистора напряжение на накопительном конденсаторе будет снижаться на эту величину, которую обозначим как Us.
В работах [4,5] были произведены расчеты по выбору оптимального значения емкости накопительного конденсатора, однако эти факторы не были учтены.
Для расчёта составим уравнение в дифференциальной форме:
Для расчёта составим характеристическое уравнение:
По этим расчётным соотношению производился расчёт в программе Microsoft Excel для некоторых типов реле РУ 1-11 (на различные токи срабатывания) с целью выбора оптимального значения накопительного конденсатора и напряжения включения динистора. Зная время срабатывания и ток срабатывания реле по расчетным данным легко определить хватает ли емкости накопительного конденсатора или напряжения включения динистора для надежного срабатывания реле.
Выводы: все современные защиты от перегрузки и токов короткого замыкания стараются выполнить с использованием микропроцессорных средств, незаслуженно забывая фильтровые защиты, которые обладают более высоким быстродействием, минимальным числом элементов и, следовательно, более высокой надежностью.
Литература
УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ОТ НЕПОЛНОФАЗНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФИЛЬТРА НАПРЯЖЕНИЯ ОБРАТНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ (ФНОП)
Written by: Гетманенко В.М., Старовойт М.Ю., Каун О.Ю.
Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
Date Published: 05/08/2017
Edition: ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 28.02.2015_02(11)
Available in: Ebook
euroasia-science.ru
ЭКСПЛУАТАЦИЯ и ремонт ОБОРУДОВАНИЯ (5 курс)
ЛЕКЦИЯ №7
технические средства сохранения работоспособностиэлектродвигателей в неполнофазных режимах
Учебные вопросы:
1. Неполнофазные режимы, потеря фазы, нессиметрия напряжения.
1. Соединение нейтрали двигателя с нейтралью сети.
2. Подключение поврежденной фазы через конденсатор.
3. Подключение двух реактивных элементов (конденсатор и дроссель).
4. Устройства, повышающие качество электрической энергии.
Несимметрия напряжений
Несимметрия напряжений несимметрия трёхфазной системы напряжений.
Несимметрия напряжений происходит только в трёхфазной сети под воздействием неравномерного распределения нагрузок по её фазам.
Источниками несимметрии напряжений являются:
- дуговые сталеплавильные печи,
- тяговые подстанции переменного тока,
- электросварочные машины,
- однофазные электротермические установки и
- другие однофазные, двухфазные и несимметричные трёхфазные потребители электроэнергии, в том числе бытовые.
Так суммарная нагрузка отдельных предприятий содержит 85...90 % несимметричной нагрузки. А коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности (K0U) одного 9-и этажного жилого дома может составлять 20 %, что на шинах трансформаторной подстанции (точке общего присоединения) может обусловить превышение нормально допустимые 2 %.
Влияние несимметрии напряжений на работу электрооборудования:
В электрических сетях возрастают потери электроэнергии от дополнительных потерь в нулевом проводе.
Однофазные, двухфазные потребители и разные фазы трёхфазных потребителей электроэнергии работают на различных не номинальных напряжениях, что вызывает те же последствия, как при отклонении напряжения.
В электродвигателях, кроме отрицательного влияния не несимметричных напряжений, возникают магнитные поля, вращающиеся встречно вращению ротора.
Общее влияние несимметрии напряжений на электрические машины, включая трансформаторы, выливается в значительное снижение срока их службы.
Например, при длительной работе с коэффициентом несимметрии по обратной последовательности K2U = 2...4 %, срок службы электрической машины снижается на 10...15 %, а если она работает при номинальной нагрузке, срок службы снижается вдвое.
Поэтому, ГОСТ 13109-97 устанавливает значения коэффициентов несимметрии напряжения по обратной (K2U) и нулевой (K0U) последовательностям, нормально допустимое 2 % и предельно допустимое 4 %.
В качестве вероятного виновника несимметрии напряжений ГОСТ 13109-97 указывает потребителя с несимметричной нагрузкой.
Мероприятия по снижению несимметрии напряжений:
Равномерное распределение нагрузки по фазам.
Это наиболее эффективное мероприятие, но оно требует творческого подхода при проектировании электроустановок и решительности при эксплуатации.
Применение симметрирующих устройств.
Сопротивления в фазах симметрирующего устройства (СУ) подбираются таким образом, чтобы компенсировать ток обратной последовательности, генерируемый нагрузкой как источником искажения.
Применение симметрирующих устройств сопровождается дополнительными капитальными затратами на их приобретение и монтаж, затратами на обслуживание и эксплуатацию.
Что происходит с электродвигателем при потере фазы и однофазном режиме работы
Под потерей фазы понимают однофазный режим работы электродвигателя в результате отключения питания по одному из проводов трехфазной системы.
Причинами потери фазы электродвигателем могут быть:
- обрыв одного из проводов,
- сгорание одного из предохранителей;
- нарушение контакта в одной из фаз.
В зависимости от обстоятельств, при которых произошла потеря фазы, могут быть разные режимы работы электродвигателя и последствия, сопутствующие этим режимам.
При этом следует принимать во внимание следующие факторы:
- схему соединения обмоток электродвигателя ("звезда" или "треугольник"),
- рабочее состояние двигателя в момент потери фазы (потеря фазы может произойти до или после включения двигателя, во время работы под нагрузкой),
- степень загрузки двигателя и механическую характеристику рабочей машины, число электродвигателей, работающих при потере фазы, и их взаимное влияние.
Здесь следует обратить внимание на особенность рассматриваемого режима. В трехфазном режиме каждая фаза обмотки обтекается током, сдвинутым во времени на одну треть периода. При потере фазы две обмотки обтекаются одним и тем же током, в третьей фазе ток отсутствует.
Несмотря на то, что концы обмоток присоединены к двумя фазным проводам трехфазной системы, токи в обеих обмотках совпадают по времени. Такой режим работы называется однофазным.
Магнитное поле, образованное однофазным током, в отличие от вращающегося поля, образованного трехфазной системой токов, является пульсирующим. Оно изменяется во времени, но не перемещается по окружности статора. На рисунке 1, а показан вектор магнитного потока, создаваемого в двигателе при однофазном режиме. Этот вектор не вращается, а лишь изменяется по величине и знаку. Круговое поле сплющивается до прямой линии.
Рис. 1. Характеристики асинхронного двигателя в однофазном режиме: а графическое изображение пульсирующего магнитного поля;
б разложение пульсирующего поля на два вращающихся;
в механические характеристики асинхронного двигателя в трехфазном (1) и однофазном (2) режимах работы.
Пульсирующее магнитное поле можно рассматривать состоящим из двух вращающихся навстречу друг другу равных по величине полей (рис. 1, б). Каждое поле взаимодействует с обмоткой ротора и образует вращающий момент. Их суммарное действие создает вращающий момент на валу двигателя.
В том случае, когда потеря фазы произошла до включения двигателя в сеть, на неподвижный ротор действуют два магнитных поля, которые образуют два противоположных по знаку, но равных по величине момента. Их сумма будет равна нулю. Поэтому при пуске двигателя в однофазном режиме он не может развернуться даже при отсутствии нагрузки на валу.
Если потеря фазы произошла в то время, когда ротор двигателя вращался, то на его валу образуется вращающий момент. Это можно объяснить следующим образом. Вращающийся ротор по разному взаимодействует с вращающимися навстречу друг другу полями. Одно из них, вращение которого совпадает с вращением ротора, образует положительный (совпадающий по направлению) момент, другое отрицательный. В отличие от случая с неподвижным ротором эти моменты будут разными по величине. Их разность будет равна моменту на валу двигателя.
На рисунке 1, в показана механическая характеристика двигателя в однофазном и трехфазном режимах работы. При нулевой скорости момент равен нулю, при появлении вращения в любую сторону на валу двигателя возникает момент.
Если отключение одной из фаз произошло во время работы двигателя, когда его скорость была близка к номинальному значению, вращающий момент часто бывает достаточным для продолжения работы с небольшим снижением скорости. В отличие от трехфазного симметричного режима появляется характерное гудение. В остальном внешние проявления аварийного режима не наблюдаются. Человек, не имеющий опыта работы с асинхронными двигателями, может не заметить изменения характера работы электродвигателя.
Переход электродвигателя в однофазный режим сопровождается перераспределением токов и напряжений между фазами. Если обмотки двигателя соединены по схеме "звезда", то после потери фазы образуется схема, показанная на рисунке 2. Две последовательно соединенные обмотки двигателя оказываются включенными на линейное напряжение Uаb, двигатель при этом оказывается в однофазном режиме работы.
Сделаем небольшой расчет, определим токи, протекающие по обмоткам двигателя и сравним их с токами при трехфазном питании.
Рис. 2. Соединение обмоток двигателя по схеме "звезда" после потерн фазы
Так как сопротивления Zа и Zв соединены последовательно, напряжения на фазах А и В будут равны половине линейного:
Приближенно величину тока можно определить исходя из следующих соображений.
Пусковой ток фазы А при потере фазы
Пусковой ток фазы А при трехфазном режиме
где Uao фазовое напряжение сети.
Отношение пусковых токов:
из соотношения следует, что при потере фазы пусковой ток составляет 86% от величины пускового тока при трехфазном питании. Если учесть, что пусковой ток короткозамкнутого асинхронного двигателя в 6 - 7 раз больше номинального, то получается, что по обмоткам двигателя протекает ток
Iiф = 0,86 х 6 = 5,16 Iн,
т. е. в пять с лишним раз превышающий номинальный. За короткий промежуток времени такой ток перегреет обмотку.
Из приведенного расчета видно, что рассматриваемый режим работы весьма опасен для двигателя и в случае его возникновения защита должна отключить с незначительной выдержкой времени.
Потеря фазы может произойти и после включения двигателя, когда его ротор будет иметь скорость вращения, соответствующую рабочему режиму. Рассмотрим токи и напряжения обмоток в случае перехода в однофазный режим при вращающемся роторе.
Величина Za зависит от скорости вращения. При пуске, когда скорость вращения ротора равна нулю, она одинакова как для трехфазного, так и для однофазного режима. В рабочем режиме в зависимости от нагрузки и механической характеристики двигателя скорость вращения может быть разной. Поэтому для анализа токовых нагрузок необходим другой подход.
Будем считать, что как в трехфазном, так и в однофазном режиме двигатель развивает. одинаковую мощность. Независимо от схемы включения электродвигателя рабочая машина требует ту же самую мощность, которая необходима для выполнения технологического процесса.
Полагая мощности на валу двигателя равными для обоих режимов, будем иметь:
при трехфазном режиме
при однофазном режиме
где Ua фазовое напряжение сети;
Uao напряжение на фазе А в однофазном режиме,
cos φ3 и cos φ1 коэффициенты мощности при трехфазном и однофазном режимах соответственно.
Опыты с асинхронным двигателем показывают, что фактически ток возрастает почти вдвое. С некоторым запасом можно считать
I1a / I2a = 2.
Для того чтобы судить о степени опасности однофазного режима работы, нужно также знать загрузку двигателя.
В первом приближении будем считать ток электродвигателя в трехфазном режиме пропорциональным его нагрузке на валу. Такое допущение справедливо при нагрузках более 50% от номинального значения. Тогда можно написать
Iф = Kз х Iн,
где Kз коэффициент загрузки двигателя,
Iн номинальный ток двигателя.
Ток при однофазном режиме
I1ф = 2Kзх Iн,
т. е. ток при однофазном режиме будет зависеть от загрузки двигателя. При номинальной нагрузке он равен двойному номинальному току. При нагрузке менее 50% потеря фазы при соединении обмоток двигателя в "звезду" не создает опасного для обмоток превышения тока. В большинстве случаев коэффициент загрузки двигателя меньше единицы. При его значениях порядка 0,6 - 0,75 следует ожидать небольшого превышения тока (на 20 50%) по сравнению с номинальным. Это существенно для работы защиты, так как именно в этой области перегрузок она действует недостаточно четко.
Для анализа некоторых способов защиты необходимо знать напряжение на фазах двигателя. При заторможенном роторе напряжение на фазах А и В будет равно половине линейного напряжения Uab, а напряжение на фазе С будет равно нулю.
Иначе распределяется напряжение при вращающемся роторе. Дело в том, что его вращение сопровождается образованием вращающегося магнитного поля, которое, действуя на обмотки статора, наводит в них электродвижущую силу. Величина и фаза этой электродвижущей силы таковы, что при скорости вращения, близкой к синхронной, на обмотках восстанавливается симметричная система трехфазного напряжения, а напряжение нейтрали звезды (точка 0) становится равным нулю. Таким образом, при изменении скорости вращения ротора от нуля до синхронной в однофазном режиме работы напряжение на фазах А и В изменяется от значения, равного половине линейного, до значения, равного фазовому напряжению сети. Например, в системе напряжения 380/220 В напряжение на фазах А и В изменяется в пределах 190 - 220 В. Напряжение Uco изменяется от нуля при заторможенном роторе до фазового напряжения 220 В при синхронной скорости. Что же касается напряжения в точке 0, то оно изменяется от значения Uab/2 - до нуля при синхронной скорости.
Рис. 3. Соединение обмоток электродвигателя по схеме "треугольник" после потери фазы
Если обмотки двигателя соединены по схеме "треугольник", то после потери фазы мы будем иметь схему соединений, показанную на рисунке 3. В этом случае обмотка двигателя с сопротивлением Zab оказывается включенной на линейное напряжение Uab, а обмотка с сопротивлениями Zfc и Zbc соединенной последовательно и включенной на то же самое линейное напряжение.
В пусковом режиме по обмоткам АВ будет протекать такой же ток, как и при трехфазном варианте, а по обмоткам АС и ВС будет протекать ток в два раза меньший, так как эти обмотки соединены последовательно.
Токи в линейных проводах I'a=I'b будут равны сумме токов в параллельных ветвях:
I'А = I'ab + I'bc = 1,5 Iab
Таким образом, в рассматриваемом случае при потере фазы пусковой ток в одной из фаз будет равен пусковому току при трехфазном питании, а линейный ток возрастает менее интенсивно.
Для расчета токов в случае потери фазы после включения двигателя в работу применим тот же метод, что и для схемы "звезда". Будем считать, что как в трехфазном, так и в однофазном режимах двигатель развивает одинаковую мощность.
В этом режиме работы ток в наиболее нагруженной фазе при потере фазы увеличивается вдвое по сравнению с током при трехфазном питании. Ток в линейном проводе будет равен I'А = 3Iab, а при трехфазном питании Ia = 1,73 Iab.
Здесь важно отметить, что в то время как фазовый ток возрастает в 2 раза, линейный ток увеличивается только в 1,73 раза. Это существенно, так как токовая защита реагирует на линейные токи. Расчеты и выводы относительно влияния коэффициента загрузки на ток однофазного режима при соединении "звезда" остаются в силе и для случая схемы "треугольник".
Напряжения на фазах АС и ВС будут зависеть от скорости вращения ротора. При заторможенном роторе Uac' = Ubc' = Uab/2
При скорости вращения, равной синхронной, восстанавливается симметричная система напряжений, т. е. Uac' = Ubc' = Uab.
Таким образом, напряжения на фазах АС и ВС при изменениях скорости вращения от нуля до синхронной будут меняться от значения, равного половине линейного, до значения, равного линейному напряжению.
Токи и напряжения на фазах двигателя при однофазном режиме зависят также и от числа двигателей.
Часто обрыв фазы происходит из-за перегорания одного из предохранителей на питающем фидере подстанции или распределительного устройства. В результате в однофазном режиме оказывается группа потребителей, взаимно влияющих друг на друга. Распределение токов и напряжений зависит от мощности отдельных двигателей и их нагрузки. Здесь возможны различные варианты. Если мощности электродвигателей равны, а их нагрузка одинакова (например, группа вытяжных вентиляторов), то всю группу двигателей можно заменить одним эквивалентным.
Несимметрия напряжения. Несимметричную систему трехфазных напряжений можно разложить на симметричные составляющие прямой, обратной и нулевой последовательности (см. гл. 2) и проанализировать влияние каждой из них на работу двигателя. ГОСТ допускает несимметрию напряжения (отношение напряжения обратной последовательности к номинальному напряжению) до 2%.
Система напряжений обратной последовательности создает магнитное поле, вращающееся в противоположную относительно ротора сторону с частотой вращения
nобр = 60f1 р = |n1 |.
Вследствие этого скольжение ротора относительно обратного поля sобр = (n1 - n2 )/n1 = [n1 + n1 (1 - s)]/n1 ≈ 2,
так как скольжение асинхронного двигателя в установившемся режиме
s ≈ (0,01 ÷ 0,05).
Следовательно, обратное поле создает тормозящий момент Мобр, а токи обратной последовательности создают дополнительные потери, увеличивающие нагревание обмоток и снижающие КПД.
Рис. 4. Зависимости моментов асинхронного двигателя от скольжения.
На рис. 4 показана зависимость моментов асинхронного двигателя от скольжения. Из нее следует, что под влиянием токов обратной последовательности результирующий момент двигателя Мрез снижается и скольжение при том же нагрузочном моменте Мн на валу возрастает.
Рис. 5. Зависимости КПД от асимметрии напряжения для одного из двигателей общего применения мощностью 5,5 кВт.
На рис. 5 показаны зависимости КПД от асимметрии напряжения для одного из двигателей общего применения мощностью 5,5 кВт. При несимметрии напряжения 2% КПД снижается примерно на 2%, а при 4% почти на 5,5%. Следовательно, несимметрия питающего напряжения крайне нежелательна.
Обрыв фазы обмотки статора. При пуске трехфазного асинхронного двигателя с оборванной фазой создаются такие условия, как и в однофазном двигателе (см. § 4.17), т. е. его результирующий момент Мрез = Мпр Мобр = 0. Если ротор двигателя в момент обрыва находится во вращении, то Мпр > Мо6р и при Мрез > Мн двигатель продолжает вращаться, однако максимальный момент Мmax оказывается существенно меньшим, чем при неповрежденной фазе. При переходе двигателя в однофазный режим частота вращения практически не изменяется, поэтому мощность на валу также остается приблизительно одинаковой.
Но отношение токов в этих режимах
I1 /I3 = (3η3 cos φ3 )/(2η1 cos φ1 ),
где индекс 1 относится к однофазному режиму, а 3 к трехфазному. Поэтому при условии
η1 = η3 и cos φ1 = cos φ3
ток I1 в однофазном режиме в 1,5 раза больше, чем в трехфазном. В действительности КПД и cos φ в однофазном режиме уменьшаются по сравнению с трехфазным, вследствие чего ток I1 возрастает в еще большей степени. Если двигатель работает при нагрузке, близкой к номинальной, то при обрыве фазы его ток становится значительно больше номинального и двигатель быстро перегревается и «выходит из строя».
Рис. 6. Зависимости моментов асинхронного двигателя от скольжения при обрыве фазы обмотки ротора
Обрыв фазы обмотки ротора. При несимметрии сопротивлений фаз ротора возникает эффект одноосного демпфирования. В результате этого кривая момента двигателя в области s = 0,5 имеет провал. Значение этого провала может оказаться настолько большим, что двигатель при пуске под нагрузкой не достигает номинальной частоты вращения и «застревает» при n2 ≈ 0,5п1 . При обрыве одной из фаз ротора электромагнитный момент в области s = 0,5 отрицательный (рис. 6), вследствие чего двигатель не разгоняется до номинальной частоты вращения даже при пуске без нагрузки.
Работа электродвигателей в неполнофазном режиме в большинстве случаев заканчивается выходом их из строя. Этот аварийный режим работы, возникающий при обрыве или отгорании одной из питающих фаз, характеризуется большим увеличением тока потребления других статорных обмоток, что является причиной их перегрева и межвиткового пробоя, вследствие повреждения изоляции.
Нередко, выход из строя 3х-фазных электродвигателей по причине их эксплуатации в неполнофазном режиме, связан с возникновением последнего, именно во время работы двигателя - когда частота вращения его вала достигла номинального значения.
Так, асинхронный двигатель, мощностью более 1 кВт, включенный в сеть с одной отсутствующей “фазой”, просто не запустится - что будет, наверняка, визуально заметно и явится причиной для проверки питающих фазных напряжений.
В случае-же, возникновения неполнофазности электропитания находящегося в работе двигателя, последний продолжит вращение и единственным внешним признаком неполадок питания можеть быть лишь изменившийся шум, издаваемый электромотором и обнаружить "на слух" неисправность не всегда представляется возможным, даже опытному обслуживащему персоналу.
Преимущество предложенной схемы защиты состоит, прежде всего, в простоте ее реализации; состоящая из 2х магнитных пускателей, она не уступает в надежности своим электронным аналогам.
Отключение питания электродвигателя при возникновении его неполнофазности во время пуска или во время работы в данной схеме обеспечивается отсутствием управляющего напряжения в цепи питания катушки магнитного пускателя KM1.
Без фазного напряжения L1 или L2 не невозможно срабатывание KM2, через один из главных контактов которого (вместо него может быть задействован нормально разомкнутый блок-контакт) подается питание на KM1 (“фаза” L3).
Таким образом, отсутствие или исчезновение любой из питающих фаз в сети гарантированно исключит возможность срабатывания KM1 или вернет главные контакты этого пускателя в исходное разомкнутое состояние, отключив двигатель - если одна из “фаз” пропала во время его работы.
Обязательным условием схемы является использование в ней, по крайней мере, одного из магнитных пускателей с катушкой, рабочее напряжение которой составляет 380 В. Это позволит контролировать наличие двух фазных напряжений в сети. Напряжение питания катушки второго пускателя может 220 В. (его для контроля третьей “фазы” будет достаточно) или 380 В.
9 Защита электродвигателя от неполнофазных режимов
9.1 Требования ПУЭ к защите от неполнофазных режимов
9.1.1 Как известно, неполнофазные режимы работы трехфазных электродвигателей приводит к недопустимому разогреву зубцов ротора, пазовых клиньев и бандажных колец.
Согласно требованиям ПУЭ [1] для электродвигателей, которые защищены от токов КЗ предохранителями, не имеющими вспомогательных контактов для сигнализации об их перегорании, должна быть предусмотрена защита от перегрузки в двух фазах.
Защиту от неполнофазного режима рекомендуется применять для всех двигателей в связи с возможностью обрыва фазы на линии внешнего электроснабжения.
9.2 Защита от неполнофазных режимов в терминалах БМРЗ
9.2.1 При работе электродвигателя в неполнофазном режиме значения токов прямой и обратной последовательности равны, а ток в каждой из двух рабочих фаз в этом режиме составляет от 1,6 до 2,5 
.
Защита от неполнофазных режимов срабатывает при выполнении двух условий:
Время срабатывания защиты на отключение электродвигателя выбирают из диапазона от 0,5 с до 1 с и отстраивают от времени ликвидации неполнофазного режима системами защиты и автоматики внешнего электроснабжения.
В терминалах БМРЗ-ДА и БМРЗ-ДД значение тока 
определяется по значениям фазных токов. Для использования защиты от неполнофазных режимов, предусмотренных в этих терминалах, необходимо наличие ТТ в каждой фазе питания двигателя.
В терминалах БМРЗ-УЗД и БМРЗ-ДВА предусмотрена возможность вычисления тока 
по токам двух фаз и току 
. Таким образом, защиту от неполнофазного режима в этих терминалах можно реализовать при наличии ТТ в двух фазах питания двигателя.
Если значение тока 
превышает 30% от тока прямой последовательности, а значения фазных токов электродвигателя не превышают 1,6 Iном.дв , то это свидетельствует о наличии нарушений во вторичных токовых цепях ТТ.
Симметричная трехфазная система напряжений характеризуется одинаковыми по модулю и фазе напряжениями во всех трех фазах. При несимметричных режимах напряжения в разных фазах не равны.
Несимметричные режимы в электрических сетях возникают по следующим причинам:
1) неодинаковые нагрузки в различных фазах,
2) неполнофазная работа линий или других элементов в сети,
3) различные параметры линий в разных фазах.
Наиболее часто несимметрия напряжений возникает из-за неравенства нагрузок фаз. В городских и сельских сетях 0,38 кВ несимметрия напряжений вызывается в основном подключением однофазных осветительных и бытовых электроприемников малой мощности. Количество таких однофазных ЭП велико, и их нужно равномерно распределять по фазам для уменьшения несимметрии.
В сетях высокого напряжения несимметрия вызывается, как правило, наличием мощных однофазных электроприемников, а в ряде случаев и трехфазных электроприемников с неодинаковым потреблением в фазах. К последним относятся дуговые сталеплавильные печи. Основные источники несимметрии в промышленных сетях 0,3810 кВ это однофазные термические установки, руднотермические печи, индукционные плавильные печи, печи сопротивления и различные нагревательные установки. Кроме того, несимметричные электроприемники это сварочные аппараты различной мощности. Тяговые подстанции электрифицированного на переменном токе железнодорожного транспорта являются мощным источником несимметрии, так как электровозы однофазные электроприемники. Мощность отдельных однофазных электроприемников в настоящее время достигает нескольких мегаватт.
Различают два вида несимметрии: систематическую и вероятностную, или случайную. Систематическая несимметрия обусловлена неравномерной постоянной перегруз- кой одной из фаз, вероятностная несимметрия соответствует непостоянным нагрузкам, при которых в разное время пе- регружаются разные фазы в зависимости от случайных факторов (перемежающаяся несимметрия).
Неполнофазная работа элементов сети вызывается кратковременным отключением одной или двух фаз при коротких замыканиях либо более длительным отключением при пофазных ремонтах. Одиночную линию можно оборудовать устройствами пофазного управления, которые отключают поврежденную фазу линии в тех случаях, когда действие АПВ оказывается неуспешным из-за устойчивого короткого замыкания.
В подавляющем большинстве устойчивые короткие замыкания однофазные. При этом отключение поврежденной фазы приводит к со-хранению двух других фаз линии в работе.
В сети с заземленной нейтралью электроснабжение по неполнофазной линии может оказаться допустимым и позволяет отказаться от строительства второй цепи линии. Неполнофазные режимы могут возникать и при отключении трансформаторов.
В некоторых случаях для группы, составленной из однофазных трансформаторов, при аварийном отключении одной фазы может оказаться допустимым электроснабжение по двум фазам. В этом случае не требуется установка резервной фазы, особенно при наличии двух групп однофазных трансформаторов на подстанции.
Неравенство параметров линий по фазам имеет место, например, при отсутствии транспозиции на линиях или удлиненных ее циклах. Транспозиционные опоры ненадежны и являются источниками аварий. Уменьшение числа транспозиционных опор на линии уменьшает ее повреждаемость и повышает надежность. В этом случае ухудшается выравнивание параметров фаз линии, для которого обычно и при-меняется транспозиция.
Влияние несимметрии напряжений и токов.
Появление напряжений и токов обратной и нулевой последовательности U2, U0, I2, I0 приводит к дополнительным потерям мощности и энергии, а также потерям напряжения в сети, что ухудшает режимы и технико-экономические показатели ее работы. Токи обратной и нулевой последовательностей I2, I0 увеличивают потери в продольных ветвях сети, а напряжения и токи этих же последовательностей в поперечных ветвях.
Наложение U2 и U0 приводит к разным дополнительным отклонениям напряжения в различных фазах. В результате напряжения могут выйти за допустимые пределы. Наложение I2 и I0 приводит к увеличению суммарных токов в отдельных фазах элементов сети. При этом ухудшаются ус- ловия их нагрева и уменьшается пропускная способность.
Несимметрия отрицательно сказывается на рабочих и технико-экономических характеристик вращающихся электрических машин. Ток прямой последовательности в статоре создает магнитное поле, вращающееся с синхронной частотой в направлении вращения ротора. Токи обратной последовательности в статоре создают магнитное поле, вращающееся относительно ротора с двойной синхронной частотой в направлении, противоположном вращению. Из- за этих токов двойной частоты в электрической машине возникают тормозной электромагнитный момент и дополнительный нагрев, главным образом ротора, приводящие к сокращению срока службы изоляции.
В асинхронных двигателях возникают дополнительные потери в статоре. В ряде случаев приходится при проектировании увеличивать номинальную мощность электродвигателей, если не принимать специальные меры по симметрированию напряжения.
В синхронных машинах кроме дополнительных потерь и нагрева статора и ротора могут начаться опасные вибрации. Из-за несимметрии сокращается срок службы изоляции трансформаторов, синхронные двигатели и батарей конденсаоров уменьшают выработку реактивной мощности.
Суммарный ущерб, обусловленный несимметрией в промышленных сетях, включает стоимость дополнительных потерь электроэнергии, увеличение отчислений на реновацию от капитальных затрат, технологический ущерб, ущерб, обусловленный снижением светового потока ламп, установленных в фазах с пониженным напряжением, и сокращением срока службы ламп, установленных в фазах с повышенным напряжением, ущерб из-за уменьшения реактивной мощности, генерируемой БК и синхронными двигателями.
Несимметрия напряжений характеризуется коэффициентом обратной последовательности напряжений и коэффициентом нулевой последовательности напряжений, нормальное и максимальное допустимые значения которых составляют 2 и 4 %.
Симметрирование напряжений в сети сводится к компенсации тока и напряжения обратной последовательности.
При стабильном графике нагрузок снижение систематической несимметрии напряжений в сети может быть достигнуто выравниванием нагрузок фаз путем переключения части нагрузок с перегруженной фазы на ненагруженную.
Рациональное перераспределение нагрузок не всегда позволяет снизить коэффициент несимметрии напряжений до допустимого значения (например когда часть мощных однофазных электроприемников работает по условиям технологии не все время, а также при профилактических и капитальных ремонтах). В этих случаях необходимо применять специальные симметрирующие устройства.
Известно большое число схем симметрирующих устройств, часть из них выполняется управляемыми в зависимости от характера графика нагрузки.
Для симметрирования однофазных нагрузок применяется схема, состоящая из индуктивности и емкости. Нагрузка и включенная параллельно ей емкость включаются на линейное напряжение. На два других линейных напряжения включаются индуктивность и еще одна емкость.
Для симметрирования двух- и трехфазных несимметричных нагрузок применяется схема с неодинаковыми мощностями батарей конденсаторов, включенными в треугольник. Иногда применяют симметрирующие устройства со специальными трансформаторами и автотрансформаторами.
Поскольку симметрирующие устройства содержат батареи конденсаторов, целесообразно применять такие схемы, в которых одновременно симметрируется режим и генерируется Q с целью ее компенсации. Устройства для одновременного симметрирования режима и компенсации Q находятся в стадии разработки.
Снижение несимметрии в четырехпроводных городских сетях 0,38 кВ можно осуществлять путем уменьшения тока нулевой последовательности I0 и снижения сопротивления нулевой последовательности Z0 в элементах сети.
Уменьшение тока нулевой последовательности I0 в первую очередь достигается перераспределением нагрузок. Выравнивание нагрузок достигается использованием сетей, в которых все или часть трансформаторов работают параллельно на стороне низкого напряжения. Снижение сопротивления нулевой последовательности Z0 можно легко осуществить для воздушных линий 0,38 кВ, которые обычно сооружаются в районах с малой плотностью нагрузки. Целесообразность уменьшения Z0 для кабельных линий, т. е. увеличения сечения нулевого провода, должна быть специально обоснована соответствующими технико-экономическими расчетами.
Существенное влияние на несимметрию напряжений в сети оказывает схема соединения обмоток распределительного трансформатора610/0,4 кВ. Большинство распределительных трансформаторов, установленных в сетях, имеют схему звезда звезда с нулем (У/Уо). Такие распределительные трансформаторы дешевле, но у них велико сопротивление нулевой последовательности Z0.
Для снижения несимметрии напряжений, вызываемой распределительными трансформаторами, целесообразно применять схемы соединения треугольник звезда с нулем (Д/Уо) или звездазигзаг (У/Z). Наиболее благоприятно для снижения несимметрии применение схемы У/Z. Распределительные трансформаторы с таким соединением более дорогие, и изготовление их очень трудоемко. Поэтому их надо применять при большой несимметрии, обусловленной несимметрией нагрузок и сопротивление нулевой последовательности Z0 линий.
PAGE \* MERGEFORMAT 25
refleader.ru
t1-t2 несмотря на то, что напряжение питания равно нулю, ток iк через катушку не прерывается. Это объясняется шунтированием ее диодом 8. Поэтому среднее значение тока в катушке iк оказывается значительным и пускатель включается, замыкает силовые контакты, производя пуск двигателя. Если же при пуске двигателя 1 на входе пускателя 2 будет отсутствовать фаза B /см. фиг. 1/, то при нажатии кнопки "Пуск" напряжение на катушке 7 окажется равным нулю и пускатель не включится - пуск не состоится. Если отсутствует фаза A (C) (фиг. 1), то ток через катушку 7 будет иметь небольшое среднее значение /см. фиг. 3/, недостаточное для включения пускателя, и пуск тоже не произойдет. Таким образом, включение двигателя возможно лишь при наличии всех трех фаз. И это великолепно - ведь подключение неподвижного двигателя на две фазы равносильно короткому замыканию. II. Режим работы. Если при работе двигателя произошел обрыв одной из фаз сети, двигатель останется в работе, т.к. в отключенной фазе обмотки статора будет наводиться напряжение, в результате чего устройство /фиг. 1/ окажется подключенным к трехфазному источнику и режим цепи управления не изменится, он будет характеризоваться фиг. 2 - пускатель не отключится. И это очень хорошо. Дело в том, что в отличие от режима пуска, при наличии только двух фаз двигатель может неограниченно долго нормально работать при нагрузке до 60% - обычной загрузке большинства моторов. При этом от возникновения напряжения между нейтралью и "землей" загорится сигнальная лампа 14, сигнализируя персоналу о возникновении неполнофазного режима. Отключать такой двигатель не следует, необходимо выяснить причину неполнофазности и устранить ее. Если же до обрыва фазы двигатель работал с номинальной мощностью /редкое явление/, то в этом случае возможна его перегрузка до 200% по току, на которую среагирует тепловое реле 3 - защита от перегрузки. Такая перегрузка может возникнуть и при полнофазном режиме, например, при неисправности приводимого механизма и от других причин. Если же в сети, где оборвалась одна фаза и все двигатели длительно находятся в работе в неполнофазном режиме, кратковременно исчезнет напряжение, например, при АПВ, АВР или при оперативных переключениях, и все магнитные пускатели отпадут, то включать их вновь от руки или автоматически после восстановления питания нельзя - длительный ток, который почти равен пусковому /ведь двигатели на двух фазах развернуться не могут/ очень опасен и чреват повреждениями обмоток статора. Предлагаемое устройство обеспечивает в этом опасном, но частом случае невозможность включения, т.к. при отсутствии одной фазы напряжение и ток в цепи управления снизятся /фиг. 3/ и окажутся недостаточными для включения пускателя ни от руки, ни от схемы автоматики. Придется персоналу выяснить причину этого, т.е. обнаружить и устранить возникший обрыв фазы. Таким образом, предлагаемое устройство, обеспечивая возможность включения двигателя только при наличии всех трех фаз питания, существенно уменьшает выход из строя электродвигателей и другого оборудования. Устройство не требует переделки пусковой аппаратуры, рассчитано на применение с обычными, стандартными пускателями, ток в катушках которых ограничивается резистором 9, регулируя величину которого можно точнее выбрать режим цепи управления. Резистор 12 выбирается высокоомным, как в типовых индикаторах напряжения на 10-400 B, поэтому электробезопасность цепочки сигнализации не нарушается. www.freepatent.ru
