Вопрос 2 !

Защита 3-фазных асинхронных двигателей от обрыва фазы

Причины и последствия обрыва фазы 3-фазных приемников электроэнергии

Под обрывом фазы понимают обрыв одного из трех линейных проводов, питающих приемник трехфазного переменного тока.

Чаще всего причиной обрыва фазы является перегорание одного из предохраните

лей, включенных в линейные провода.

В цепях питания неответственных приемников электроэнергии, например, в сетях освещения, обрыв фазы приведет к погасанию света, т.е. создаст временные неудобства.

Особенно опасен обрыв провода для трехфазных асинхронных электродвигателей.

Рис.108. Схема обмотки статора асинхронного двигателя при обрыве фазы:

а – обмотка статора соединена звездой; б, в - обмотка статора соединена треугольником

( схем на рис. в – это изображенная несколько иначе схема на рис. б )

При таком обрыве и соединении обмотки звездой фазные обмотки 2 и 3 оказывают-

ся соединенными последовательно ( рис. 108, а ), а при соединении треугольником – по схеме, в которой фазные обмотки 1 и 2 включены последовательно, а параллельно этому участку включена фазная обмотка 3 ( рис. 108, б и в ).

В каждом из этих двух случаев двигатель переходит в однофазный режим, при кото

ром магнитный поток обмотки статора становится пульсирующим..

Это вызывает уменьшение вращающегося момента электродвигателя примерно на одну треть. Такое уменьшение может привести либо к остановке электропривода ( если это – насос, вентилятор или компрессор ), либо к реверсу ( если это – грузовая лебедка или

кран, или брашпиль ).В последнем случае это может привести к аварии.

Поэтому на практике этот вид защиты применяют в электроприводах лебедок ( кра-

нов ) и брашпилей и не применяют в электроприводах насосов, вентиляторов и компрес-

соров.

Схема защиты от обрыва фазы

Схема защиты построена так, что для питания аппаратов схемы управления используются все три линейных провода : А, В и С ( рис. 109 ).

Тогда перегорание любого предохранителя приведёт к снятию питания части или

всей схемы управления.

Рис. 109. Схема узла защиты асинхронного двигателя от работы на двух фазах:

FU1…FU3 – предохранители; KV – реле напряжения; SA – контакт командоконтроллера; М – обмотка статора двигателя

Как следует из схемы, основная часть аппаратов питается от линейных проводов А

и С через предохранители FU1, FU3 и контакт KV:2 реле напряжения.

В исходном состоянии схемы рукоятка командоконтроллера находится в нулевом положении, поэтому контакт SA командококонтроллера замкнут.

Поэтому при подаче питания на линейные провода А, В и С образуется цепь питания катушки реле напряжения:

линейный провод В – предохранитель FU2 – контакт SA – катушка реле напряжения KV - предохранитель FU3 - линейный провод С.

Реле включается и замыкает 2 своих контакта, один из которых ( KV:1 ) шунтирует контакт SA командоконтроллера, а через второй ( KV:2 )подается питание на остальную часть схемы управления.

При работе рукоятку переводят в положение «I» вправо или влево. При этом кон

такт SA размкается, однако цепь катушки реле KV сохраняется через верхний контакт KV.

При перегорании предохранителя FU1 теряет питание основная часть аппаратов схемы управления, питающихся от фазы А через контакт KV:2.

При перегорании предохранителя FU2 теряет питание катушка реле напряжения

KV, вследствие чего размыкаются его контакты KV:1 и KV:2, что приводит к такому же результату.

При перегорании предохранителя FU3 теряют питание катушка реле напряжения

KV, а также все остальные аппараты схемы управления, т.к. их правые выводы подключе-

ны именно к фазе С, что приводит к аналогичному результату.

В любом из этих трех случаев двигатель отключается от сети и затормаживается.

Для повторного пуска надо заменить сгоревший предохранитель, установить руко-

ятку командоконтроллера в нулевое положение, после чего перевести ее в необходимое рабочее положение.

Защита двигателей постоянного тока от обрыва поля

Основные сведения

Этот вид защиты применяется только в схемах управления электродвигателями по-

стоянного тока.

Под полем понимают магнитное поле, созданное током, протекающим через парал-

лельную или независимую обмотку возбуждения.

Под обрывом поля понимают его исчезновение вследствие обрыва цепи обмотки

возбуждения.

При обрыве поля магнитный поток Ф=0, значит, противоэ.д.с. обмотки якоря Е =

= сωФ =0, а ток якоря I= ( U – E ) / R= ( U – 0 ) / R= U / R= I.

Иначе говоря, при обрыве поля двигатель переходит в режим короткого замыкания,

т.к. ток якоря превышает номинальный в 20…25 раз.

Поэтому при обрыве поля двигатель постоянного тока надо мгновенно отключать.

Схема защиты от обрыва поля

В состав узла входит реле минимального тока , которое называют реле обрыва поля

РОП ( рис.110 ).

Рис. 110. Схема включения реле обрыва поля РОП

При подаче питания на схему через параллельную обмотку возбуждения и катушку

реле РОП протекает ток возбуждения. Реле включается и замыкает свой контакт РОП в це

пи катушки контактора КМ.

После этого двигатель можно включить нажатием кнопки «Пуск». Контактор КМ включается и замыкает свои главные контакты КМ:1, КМ:2 , подключая обмотку якоря к сети. Вспомогательный контакт КМ:3 шунтирует кнопку «Пуск», после чего её можно от-

пустить.

Если при работе двигателя оборвётся цепь параллельной обмотки возбуждения

( оборвано магнитное поле ), реле РОП отключается и размыкает контакт РОП в цепи ка-

тушки контактора КМ. Контактор отключается и размыкает контакты КМ:1 и КМ:2, вслед

ствие чего обмотка якоря двигателя отключается от сети.

Реверс электродвигателей постоянного и переменного тока

Реверс двигателей постоянного тока

Основные сведения

Формула электромагнитного момента электродвигателя постоянного тока имеет такой вид:

М = с IФ,

где: с – конструктивный коэффициент (для каждого типа двигателя - постоянная

величина ); I - ток якоря двигателя; Ф – магнитный поток обмотки ( обмоток ) возбуж-

дения.

Для реверса двигателя надо изменить знак электромагнитного момента дви

гателя.

Из формулы следует, что это можно сделать двумя способами:

1. изменить знак тока в обмотке якоря I, не изменяя знака магнитного потока Ф,

при этом М' = с ( - I) Ф = - М;

2. наоборот, изменить знак магнитного потока Ф, не изменяя знака тока в обмотке якоря I, при этом М' = с ( - I) Ф = - М.

Первому способу реверса соответствует схема на рис. 104, а , а, второму – на рис. 104, б.

Рис. 111. Схема реверса двигателя постоянного тока изменением направления тока

: в обмотке якоря ( а ) и параллельной обмотке возбуждения ( б )

Элементы схемы на рис. 111:

1. L_1, L₂ – провода питающей сети;

2. М – обмотка якоря двигателя;

3. L – параллельная обмотка возбуждения;

4. SB1 – кнопка «Вперед»;

5. SB2 - кнопка «Назад»;

6. SB3 – кнопка «Стоп»;

7. КМ1 – контактор «Вперед»;

8. КМ2 – контактор «Назад».

В обеих схемах есть одинаковый узел – реверсивный мостик.

В состав мостика входят 4 плеча в виде контактов КМ1.1, КМ1.2 , КМ2.1, КМ2.2, и

две диагонали – питающая АВ и выходная СD.

К точкам А и В подводится напряжение питающей сети, к точкам С и D подключен выход мостика – обмотка якоря М на рис. 111, а и обмотка возбуждения L на рис. 111, б.

Рассмотрим работу схем.

Схема на рис. 111, а.

В схеме на рис. 111, а, для подготовки схемы к работе подают питание на выводы L₁ и L₂. При этом образуется цепь тока параллельной обмотки возбуждения :

«+» на L₁ – обмотка возбуждения L – «-« на L₂.

Двигатель возбуждается и тем самым подготовлен к работе.

Для включения двигателя в направлении «Вперед» нажимают кнопку SB1 «Впе-

ред». Через ее контакты образуется цепь тока катушки реверсивного контактора:

«+» на L₁ – кнопка SB1 – размыкающие контакты КМ2.4 контактора «Назад» - ка-

тушка контактора КМ1 «Вперед» - кнопка SB3 - «-« на L₂.

Контактор КМ1 включается, замыкает главные контакты КМ1.1 и КМ1.2, тем са-

мым подключая обмотку якоря к питающей сети. Через обмотку якоря потечет ток по це-

пи:

«+» на L₁ – КМ1.1 – обмотка якоря М – КМ1.2 - «-« на L₂.

Кроме того, замыкается вспомогательный контакт КМ1.3 и размыкается вспомога-

тельный контакт КМ1.4.

После замыкания контакта КМ1.3 кнопку SB1 «Вперед» можно отпустить.

Размыкание контакта КМ1.4 обрывает в этом месте цепь катушки реверсивного кон

тактора КМ2 «Назад». Это делает невозможным случайное включение контактора КМ2 после включения контактора КМ1 «Вперед», например, при ошибочном нажатии кнопки

SB2 «Назад».

Такое одновременное включение двух реверсивных контакторов приводит к корот-

кому замыканию в питающей линии через контакты КМ1.1 + КМ2.2 и параллельно – через КМ2.1 + КМ1.2.

Для реверса двигателя надо сначала нажать кнопку SB3 «Стоп», дождаться останов

ки якоря, а уже потом нажать кнопку SB2 «Назад».

После включения контактора КМ2 его главные контакты КМ2.1 и КМ2.2 замыкают

ся, вследствие чего изменяется направление тока в обмотке якоря двигателя, двигатель реверсирует.

Контакт КМ2.3 шунтирует кнопку SB2, после чего ее можно отпустить, а контакт КМ2.4 размыкается, препятствуя случайному включению контактора КМ1 «Вперед», что привело бы к короткому замыканию в линии.

Следует обратить внимание, что в данной схеме изменялось направление тока только в обмотке якоря двигателя М, а направление тока в параллельной обмотке L не изменялось.

Схема на рис. 111, б.

В схеме на рис. 111, б обмотки якоря М и возбуждения L «поменялись» местами ( по сравнению с рисунком 111, а ).

Схема на рис. 111, б работает точно также, как и схема на рис.111, а, но изменяется направление тока только в обмотке возбуждения L и не меняется направление тока в обмотке якоря М.

Эта схема на практике не применяется.

Это объясняется тем, что при переключении контактов реверсивных контакторов КМ1 и КМ2 всегда бывает момент времени, когда, например, контакты КМ1.1 и КМ1.2 уже разомкнулись, а контакты КМ2.1 и КМ2.2 еще не успели замкнуться, т.е. тока в в обмотке возбуждения нет.

В этот момент времени магнитный поток Ф = 0, противоэ.д.с. обмотки якоря Е = с*ω*Ф = 0, поэтому ток якоря двигателя увеличивается в десятки раз по сравнению с номи

нальным, обмотка якоря сгорает. Это видно из следующего примера.

Пример.

Двигатель постоянного тока рассчитан на напряжение U = 220 В. Противоэ.д.с

двигателя в номинальном режиме Е= 210 В, сопротивление обмотки якоря R= 0,5 Ом.

Найти токи якоря: а ) номинальный; б ) при обрыве параллельной обмотки возбуж-

дения.

Решение:

1. номинальный ток якоря

I= ( U- Е) / R= ( 220 – 210 ) / 0,5 = 20 А

2. ток якоря при обрыве обмотки возбуждения ( Е = 0 )

I= ( U- Е ) / R= ( U- 0 ) / R= 220 / ).5 = 440 А.

Таким образом, при обрыве обмотки возбуждения ток якоря увеличился от 20 А до 440 А, что недопустимо.

Примечание: на судах с электродвижением все же применяют этот способ реверса гребного электродвигателя по схеме на рис. 111, б, но переключение контактов в схеме на выполняют при полностью снятом напряжении питающей сети.

Невозможность реверса изменением полярности питающей сети

При изменении полярности напряжения питающей сети двигатель постоянного тока не реверсирует. Иначе говоря, при переброске концов кабеля реверс не происходит.

Это объясняется тем, что при переброске концов одновременно изменяется направ

ление тока как в обмотке двигателя, так и в параллельной обмотке возбуждения, а знак электромагнитного момента не изменяется:

М' = с ( - I)( - Ф ) = М

Рис. 112. Схема включения двигателя постоянного тока при прямой ( а ) и обрат

ной ( б ) полярности напряжения питающей сети

На рис. 112, а ток якоря Iи ток возбуждения Iпротекают в направлении слева на

право, а при изменении полярности – в направлении справа налево ( рис. 112, б ).

Реверс при этом не происходит.

Сказанное подтверждается на рис. 112, в и 112, г .

На рис. 112, в произвольно выбрана полярность полюсов N и S и направление тока в верхнем проводнике ( крестик ) и нижнем ( точка ). Направление электромагнитных сил

Fи F найдено по правилу левой руки. Якорь вращается в направлении против ча-

совой стрелки.

Если изменить полярность питающей сети, то одновременно изменится полярность полюсов ( на рис. 112, г верхний полюс – S, а нижний – N ) и направление тока в обмотке якоря ( в верхнем проводнике – точка, в нижнем – крестик ).

Применяя правило левой руки, находим, что направление электромагнитных сил Fи F не изменилось, реверс не произошел.

Реверс 3-фазного асинхронного двигателя

Для реверса 3-фазного асинхронного электродвигателя надо поменять местами ( пе

реключить ) два любых линейных провода.

При этом поменяется порядок чередования фаз обмотки статора, что приведет к из-

менению направления вращения ( реверсу ) магнитного потока обмотки статора.

Рис. 113. Прямое ( а ) и обратное ( б, в, г ) направление вращения ротора

3-фазного асинхронного двигателя

На рис. 113, а изображена схема, соответствующая условному прямому направле-

нию вращения ротора двигателя ( по часовой стрелке ). Из схемы следует, что выводы питающей сети и обмотки статора соединены попарно, а именно: вывод L₁ соединен с выводом U₁, вывод L₂ - с выводом V₁, вывод L₃ – с выводом W₁ ( L₁- U₁, L₂ - V₁, L₃ – W₁ ).

На рис. 113, б переброшены линейные провода L₁ и L₂ , на рис. 106, в – провода L₂ и L₃, на рис. 113, г - провода L₁ и L₃. В каждом из этих случаев на обмотке статора меняется порядок чередования фаз питающей сети ( по отношению к рис. 113, а ), и двигатель ревер

сирует.

Поэтому на практике не имеет значения, какие именно два линейных провода бу-

дут переброшены ( переключены ).

Для реверса асинхронного двигателя применяют 2-полюсные или 3-полюсные ре-

версивные контакторы ( рис. 114 ).

.

Рис. 114. Схема реверса 3-фазного асинхронного двигателя при помощи 2-полюс-

ных ( а ) и 3-полюсных ( б ) реверсивных контакторов

В схеме на рис.114, а использованы 2-полюсные реверсивные контакторы КМ1 и КМ2, на рис. 114, б – треполюсные. В обеих схемах для реверса переключаются линейные провода L₁ и L₂. В схеме на рис. 114, б, правый контакт контактора КМ1 и левый контакт контактора КМ2 включены параллельно друг другу, т.е. поочередно подключают к выво-

ду W₁ обмотки статора один и тот же провод L₃ как при прямом, так и обратном направ-

лении вращения ротора двигателя.

Схема на рис. 114, а позволяет использовать менее дорогие 2-полюсные контакто-

ры, но имеет повышенную опасность для обслуживающего персонала, т.к. линейный про-

вод L₃ постоянно подключен к обмотке статора двигателя.

Реверс 2-фазных и 1-фазных асинхронных двигателей

Двухфазные и однофазные асинхронные двигатели устроены одинаково, а именно:

на статоре каждого из них расположены две обмотки, сдвинутые в пространстве на 90º.

В цепь одной из обмоток включен кондесатор С, при помощи которого ток в ней сдвинут на 90 электрических градусов ( т.е. по времени на четверть периода переменного тока ) по отношению к току в другой обмотке.

Такой двойной сдвиг ( на 90º в пространстве и на 90º во времени ) позволяет полу-

чить вращающееся магнитное поле при питании обмоток однофазным током.

Рис. 115. Схемы включения 2-фазного ( а ) и 1-фазного ( б ) асинхронных двигате-

лей

У двухфазных двигателей ( рис. 115, а ) одна из обмоток называется обмоткой воз-

буждения ОВ. Эта обмотка включается через конденсатор С в судовую сеть переменного тока со стабильным по величине и фазе напряжением. При реверсе схема включения этой обмотки не изменяется.

Вторая обмотка называется обмоткой управления ОУ. Она в системах судовой авто

матики питается от отдельного бесконтактного устройства, напряжение которого может изменяться как по величине, так и по фазе.

Для реверса двухфазного двигателя надо изменить фазу напряжения на обмотке уп-

равления ОУ, что в контактных схемах равнозначно переброске её выводов 3 и 4.

На судах двухфазные асинхронные ( ьдвигатели Феррариса ) применяются в систе

мах автоматики, например, в авторулевых, котельных установках и т.п. Их мощность – от нескольких десятков до нескольких сотт ватт.

У однофазных двигателей ( рис. 115, б ) одна из обмоток называется пусковой. В её цепь включают пусковой кондесатор С. Вторая обмотка называется рабочей РО. Обе обмотки включены параллельно на напряжение сети U. При пуске включены обе обмот-

ки, в конце пуска пусковая обмотка отключается, двигатель остается работать на одной рабочей обмотке.

Для реверса однофазного двигателя надо переключить концы любой из обмоток – либо пусковой, либо рабочей.

На судах однофазные асинхронные двигатели встречаются в бытовых электропри-

борах – в стиральных машинах и холодильниках. Их мощность – несколько сотт ватт.