Студопедия

Главная страница Случайная страница

Разделы сайта

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






Лабораторна установка та її електрична схема. 2.1. Задачі, що необхідно реалізувати з допомогою лабораторної установки.






2.1. Задачі, що необхідно реалізувати з допомогою лабораторної установки.

2.1.1. Зверніть увагу, що здебільшого електротехнічні установки споживають активну та реактивну енергію. Активна енергія в них, виконуючи роботу, необоротно перетворюється в інші види енергії (механічну, теплову, хімічну тощо), а реактивна - періодично пульсує між генератором і споживачами. Разом з тим, реактивна індуктивна енергія широко використовується в установках, де необхідно утворити магнітне поле - АД, трансформаторі, індукційні печі тощо.

Важливим показником ефективності експлуатації будь-якої електротехнічної установки є фактичне значення коефіцієнта використання електричної потужності (cos j), з яким працює обладнання.

Оскільки, коефіцієнт потужності – це співвідношення активної P та повної S потужностей:

, (14.1)

то очевидно, що при витратах електроенергії на виробництво продукції на підприємстві в першу чергу потрібна активна енергія. Звідси випливає вимога, що всі установки підприємства, які використовують енергію змінного струму, по можливості повинні працювати з cos j близькому до одиниці.

У дійсності ж на підприємствах харчової і переробної промисловості частка реактивної потужності, яку споживають АД, перебільшує 60% від загальної реактивної потужності електрифікованого обладнання. Отже підвищення cos j є вагомим важелем зниження собівартості промислової продукції. Крім того, підвищення коефіцієнта використання потужності дозволяє зменшувати втрати електроенергії при передачі від виробника електроенергії до приймача (підприємства). Принципова схема передачі електроенергії від електростанції до групи АД показана на рис. 14.1.

Тут електроенергія, що виробляється у трифазних синхронних генераторах 1 на електростанції, підводиться по внутрішній трифазній лінії 2 електропередачі до трифазного трансформатора 3, який підвищує напругу генератора від номінальної Uг.н до лінійної напруги Uл повітряної лінії 4 електропередачі (ЛЕП). У трифазному трансформаторі 5 напруга понижується до номінальної напруги зовнішньої мережі 6 підприємства і подається по лініях живлення 7 до окремих АД.

Врахуємо, що при ввімкнені у мережу статорна обмотка асинхронного двигуна, схема заміщення якої показана на рис.14.2, а, утворить для генератора активно-індуктивне навантаження. При цьому у кожному з проводів лінії електропередачі буде проходити струм (рис.14.2, б):

, (4.2)

де Іа - активна складова фазного струму, що пропорційна активній потужності Р обладнання (у кінцевому рахунку, кількості виробленої продукції); Ір - реактивна складова фазного струму, яка забезпечує підтримання електромагнітних полів трансформатора та двигунів і є абсолютно необхідною. Її величина визначається технічними характеристиками обладнання і практично не залежить від того, яка активна потужність передається по проводах.

2.1.2. Відзначимо, що підвищення cos j струмоприймачів забезпечує ряд техніко-економічних переваг:

1). Підвищується ступінь використання встановленої потужності джерела електроенергії, внаслідок чого від одного й того самого джерела можна отримати більшу активну потужність:

, (14.3)

де Sн - номінальна встановлена повна потужність джерела електроенергії, кВ× А.

2). Зменшується споживаний із мережі струм при незмінних потужності P = const і напрузі мережі Uл = const:

, (14.4)

що, в першу чергу, дає змогу зменшити витрати дорогих матеріалів на провідники і значно знизити втрати енергії в лініях електропередачі (ЛЕП):

(14.5)

3). Знижуються втрати напруги в лініях передачі, обмотках трансформаторів і генераторів. Зокрема відносна втрата напруги DU у лінії електропередачі, %:

, (14.6)

де Uн - лінійна напруга мережі, В; Rл, Xл- відповідно активний та індуктивний опір 1 км лінії (за довідником), Ом/км; Pp - розрахункова потужність навантаження, кВт; L - довжина лінії, км.

4). Підвищується ККД всієї електроустановки та якість електроенергії.

2.1.3. Звернемо увагу, що заходи щодо підвищення cos j енергоустановок з АД поділяють на дві основні групи: ті, що не пов’язані із застосуванням пристроїв для компенсації, та ті, що потребують спеціального устаткування, призначеного для компенсації реактивної потужності основних електроспоживачів.

Перша група методів підвищення передбачає:

1) покращання енергетичного режиму електроустаткування, забезпечення більш повного завантаження працюючих АД і оптимального їх вибору при встановленні нових. Зокрема двигуни, які працюють із середнім завантаженням (до 45%), підлягають заміні на АД меншої потужності. При середньому завантаженні b = (45...70)% АД замінюються після відповідного техніко-економічного обґрунтування. При b рівних понад 70 % заміна АД, як правило, недоцільна;

2) зниження фазної напруги статорної обмотки. В установках зі змінним навантаженням в ході технологічного процесу при тривалому недовантаженні АД доцільно застосувати перемикання статорних обмоток із трикутника у зірку. Такий процес легко автоматизувати.

3) недопустимість тривалого (більшого ніж 1 хв.) холостого пробігу АД. Для виконання цієї умови передбачають автоматичний регулятор.

4) суворе дотримання номінальних параметрів роботи та забезпечення цих даних після ремонту (при перемотуванні обмоток двигуна та проточуванні ротора або його валу). Збільшення зазору між статором і ротором та зменшення діаметра вала не тільки призводить до необоротного зниження cos j1, а й до різкого зменшення допустимого навантаження на вал.

Друга група методів підвищення cos j передбачає:

1) ввімкнення паралельно споживачу реактивної енергії батареї статичних конденсаторів. У цьому разі для підвищення cos j АД, тобто зменшення кута зсуву фаз j між струмом статора і напругою мережі, паралельно до обмоток статора двигуна з активно-індуктивним зсувом фаз вмикають конденсатори С, що, як приймачі змінного трифазного струму, з’єднані між собою звичайно у трикутник.

Використання батареї конденсаторів для підвищення коефіцієнта потужності окремого споживача показано на прикладі принципової схеми автоматизованого електроприводу на базі асинхронного двигуна з використанням гальмування проти ввімкненням (рис.14.3).

При цьому враховано, що гальмування проти ввімкненням асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором здійснюється шляхом вимкненням працюючого двигуна з мережі і повторним ввімкненням у мережу з іншим порядком чергування фаз, тобто ввімкненням працюючого за інерцією двигуна на зустрічне обертання. У цих умовах ковзання і ротор обертається проти поля завдяки зовнішній механічній силі або силі інерції. За таких умов струм у роторі, взаємодіючи з обертальним магнітним полем, розвиває момент, що протидіє зовнішньому рушійному моменту, і двигун гальмується. Якщо потрібне гальмування двигуна, а не його реверс, то при частоті обертання, яка дорівнює нулю, двигун повинен бути вимкнений з мережі. Для цього використовують реле швидкості.

Слід пам’ятати, що ковзання в момент перемикання обмоток виявляється майже вдвічі більшим за пускове (sг»2). Тому для обмеження гальмівних струмів одночасно з перемиканням фаз, бажано в коло статора ввести баластні резистори (реактори), опір яких вибирають за умови, що Іг = 2, 5Ін.

Схема функціонує наступним чином:

При вмиканні вимикача QF напруга підводиться до кола керування. Загоряється лампа HL1, яка сигналізує, що схема знаходиться під напругою і готова до роботи.

Натисканням кнопки SВ1 здійснюють пуск двигуна. При цьому струм пройде через котушку контактора КМ1, яка притягне свій якір й замкне свої головні контакти КМ1.1 в колі статора двигуна. Одночасно в колі керування замкнуться контакти КМ1.2-КМ1.3 (блок-контакт КМ1.2 заблокує пускову кнопку SВ1, контакт КМ1.3 в колі вмикання конденсаторних батарей замкнеться. Загоряється лампа HL2, яка сигналізує про те, що схема працює в режимі «РОБОТА». При зростанні струму до значення заданого на реле струму КА1 воно (реле) спрацює і замкне свій контакт в колі контактора КМ2, який, спрацювавши, контактами КМ2.1 приєднає батарею конденсаторів СВ до обмоток двигуна. Одночасно замкнеться блок-контакт КМ2.2.

 



По завершенню робочого циклу, коли двигун перейде в режим холостого ходу, спрацює реле часу КТ1, яке розімкнувши свій контакт в колі керування КМ1, знеструмить його, отже силові контакти КМ1.1 від’єднають двигун від мережі і приєднаються до гальмівних резисторів. Одночасно розімкнеться блок-контакт КМ1.2 та контакт КМ1.3 в колі керування конденсаторною батареєю. Контактор КМ2 знеструмиться і розімкне свої силові контакти КМ2.1 та блок-контакт КМ2.2. Двигун почне гальмувати. При вмиканні вимикача SА1 спрацює контактор КМ3, який замкне свої силові контакти КМ3.1 на протиувімнення. Загориться лампа HL3, яка сигналізує про те, що схема працює в режимі «ГАЛЬМУВАННЯ». При швидкості, що буде складати 5 % від номінальної контакти реле ТD1.1 розімкнуться. Контактор КМ3 знеструмиться, контакти КМ3.1 роз’єднаються. Схема буде готова до нового циклу роботи.

У випадку перевантаження двигуна спрацюють контакти КК1.1 та КК1.2 теплових реле КК1 і КК2 відповідно. При цьому котушка КМ1 контактора знеструмиться, її контакти КМ1.1 і КМ1.2 розімкнуться, а двигун зупиниться. Для керування роботою електроприводу в режимі дистанційного керування для розмикання силових контактів АД або батареї СВ достатньо натиснути кнопку SВ2 або SВ3 відповідно.

Захист від струмів короткого замикання силового кола здійснюється триполюсним повітряним вимикачем (автомата) QF з автоматичним поверненням у стан «Вимкнуто», а кола керування – запобіжниками FU1 і FU3 з плавкими вставками на малий струм спрацювання (до 21 А).

2.1.4. Запам’ятаємо, що величина cos j АД залежить від ряду конструктивних та експлуатаційних факторів.

Із конструктивних факторів відмітимо:

1) збільшення повітряного проміжку між статором і ротором АД призводить до зростання магнітного опору Rm системи, тобто до збільшення споживання реактивної потужності, отже, знижує cos j;

2) двигуни однакової номінальної потужності, але з більшою частотою обертання, мають менші габаритні розміри і менший об'єм сталі на 1 кВт потужності, тому їх cos j завжди більший;

3) двигуни однакової частоти обертання, але більшої потужності, мають, як правило, вищий cos j;

4) конструктивне збільшення об’єму сталі, наприклад, у двигунах закритого типу призводить до зниження їх cos j.

Із експлуатаційних факторів відмітимо:

1) основний фактор, який впливає на cos j - це ступінь завантаження АД. З векторної діаграми навантаження фази двигуна (рис.14.2, б) бачимо, що коли двигуни працюють при навантаженні максимально наближеному до номінального Рн, то Ia н та cos j мають максимальні значення, а Іф є оптимальним. Якщо АД мало завантажений або працює у режимі холостого ходу, реактивна індуктивна І складова струму залишається практично незмінною, а активна - зменшується до Ia х.х. При цьому кут зсуву фаз jх.х > j1 (між Іф та Uф), зростає, і, відповідно, зменшується cos j (cos jx.х < cos j). Зокрема це стосується двигунів, що експлуатуються при важких умовах пуску, коли приходиться встановлювати двигун завищеної потужності. Тому після виходу на робочий режим такий двигун буде працювати з суттєвим недовантаженням, тобто з низьким cos j1.

Тому, наприклад, для таких двигунів, статорні обмотки яких з’єднанні у трикутник, а завантаження до 40 %, для збільшення cos j після виходу їх на режим недовантаження статорні обмотки перемикають з трикутника у зірку. Це викликає зменшення фазної напруги у Ö 3 раз. При цьому магнітний потік статора (пропорційний квадрату напруги) і, відповідно, намагнічуючий струм зменшаться приблизно у 3 рази. Крім того, дещо збільшиться активна складова струму статора. Все це разом сприятиме підвищенню cos j1 АД.

Графіки залежності cos j = f(b) для різних схем з’єднання статорних обмоток двигуна за умови Uл = const показані на рис. 14.4.

Очевидно (з графіків рис.14.2, б та 14.4), що тривала робота АД в режимі холостого ходу, коли cos j знижуються до 0, 1…0, 3 є недопустима, тому повинна бути обмежена (див. вище п.2.1.3).

2) ще один фактор - підведення до обмоток двигуна напруги Uл мережі більшої від номінального значення Uн. Це сприяє збільшенню намагнічуючого струму, але одночасно знижує cos j1.

3) важливим і дієвим фактором є вмикання конденсаторів паралельно зі статорними обмотками двигуна. Схема заміщення фази статора у такому разі показана на рис. 14.5, а. У разі відсутності опору xС (рис.14.2, б) у фазі статора діє струм I (на рис. 14.5, б показаний пунктирною лінією), який має складові I та I і двигун працює з cos j.

 

 

При вмиканні конденсатора з опором xС (рис.14.5, а) паралельно до статорної обмотки, у схемі буде діяти також випереджуючий напругу струм ІСф. Оскільки він знаходиться у протифазі зі струмом I, то відбувається часткова чи повна компенсація індуктивної складової струму фази, а у фазі діє струм Іфк:

(14.7)

де Iрф - результуючий реактивний струм фази.

Із (14.7) бачимо, що при зміні реактивних струмів у межах IС £ IL, статорний струм Іф зменшується, отже коефіцієнт потужності установки зростає від cosj (рис. 14.2, б) до cosj (рис. 14.5, б). Очевидно, що у випадку, коли IСф = I, фаза буде працювати у режимі резонансу струмів. У такому разі cosj = 1, отже мережа електропостачання буде працювати з найменшими втратами електроенергії, тобто у найбільш доцільному режимі.

Якщо створити умови, коли IС > IL, то установка буде працювати в режимі перекомпенсації і в мережі буде проходити активно-ємнісний струм. Тут бажано (для безпечної експлуатації кабельних мереж) обмежити його до допустимого значення (щоб він не був більшим І). Взагалі ж для мережі це вигідно, оскільки за рахунок надлишку ємнісного струму компенсується індуктивний струм тих індуктивних установок, що не мають пристроїв для компенсації.

Зауважимо, що окремі косинусні конденсатори, при підключенні до статорних обмоток АД чи у батареї можуть бути з’єднані між собою у зірку або трикутник.

Реактивна ємнісна потужність конденсаторної батареї, вар:

, (14.8)

де w - кутова частота, 1/с; С - ємність конденсаторів однієї фази, мкф; Uф - фазна напруга конденсатора, В.

Звичайно косинусні конденсатори, що об’єднані у батарею, завжди вмикаються за схемою " трикутник". Оскільки при цьому вони знаходиться під дією лінійної Uл напруги мережі (при з’єднанні у зірку – під фазною Uф), то, як бачимо з (14.8), для отримання однакової компенсації індуктивного струму встановлена ємність конденсаторів у такому разі буде у 3 рази меншою порівняно зі схемою " зірка", для якої фазна напруга . Все ж, оскільки Uл > Uф у Ö 3 раза, то для включення у трикутник потрібні конденсатори, розраховані на вищу напругу, ніж для схеми зірка, а вони дорожчі.

Необхідна реактивна (ємнісна) потужність Q конденсаторної батареї для компенсації кута зсуву фаз АД від j (номінального) до j (після компенсації) може бути визначена з діаграми потужностей (рис. 14.6).

Враховуючи, що конденсатори споживають настільки малу потужність, що нею можна знехтувати, одержимо Р» Р = const.

У такому разі, як бачимо з рис. 14.6, реактивну потужність компенсуючої установки можна розрахувати за формулою:

, (14.9)

Практично компенсувати cosj електротехнічної установки більший за 0, 95 економічно недоцільно, бо подальше його збільшення до одиниці потребує конденсаторів відносно великої ємності, а вони дорогі. Крім того, за правилами техніки безпеки при експлуатації електроустановок (ПУЕ) при роботі з конденсаторними батареями після вимкнення їх з мережі обов’язково потрібно передбачити саморозрядження конденсаторів. Для цього батареї облаштовують приєднаними паралельно до конденсаторів резисторами (активними опорами), що розраховані таким чином, щоб через 30 с напруга на них знизилась до 65 В.

У схемах компенсації використовують три варіанти розміщення батарей конденсаторів: індивідуальне, групове і централізоване.

Індивідуальне розміщення є найбільш ефективним, але і найбільш дорогим у порівнянні з іншими. При цьому конденсатори встановлюють біля кожного двигуна (споживача) і у всій мережі живлення проходить струм, що частково або повністю не містить реактивної складової.

Групове розміщення, коли батареї приєднують до шин силових розподільчих пунктів. Воно дає можливість зменшити кількість конденсаторних установок, використати потужніші конденсатори (отже відносно дешевші), покращити ефективність використання конденсаторів (автоматизувати процес компенсації), але при цьому ділянка мережі від силового пункту до споживача не розвантажується від реактивних індуктивних струмів.

При централізованій компенсації реактивної потужності конденсатори встановлюють на шинах трансформаторної підстанції (пункту живлення) з боку високої чи низької напруги. Це найбільш економічно та технічно доцільне розміщення.

Стосовно схеми живлення групи АД, наведеної на рис. 14.1, конденсаторні батареї краще розташувати на початку лінії електропередачі 6, тобто на виході із трансформатора живлення 5. Хоча у цьому разі компенсація реактивної потужності за допомогою конденсаторних батарей має бути узгоджена в часі із споживаною індуктивною потужністю приймачів, тобто повинна мати автоматичний регулятор потужності конденсаторних батарей і вмикати тільки необхідну їх кількість.

Додамо, що при великій реактивній індуктивній потужності (QL > 10 Мвар) замість конденсаторних батарей використовують синхронний компенсатора СК, що генерує в мережу додаткову реактивну потужність, величина якої легко регулюється за допомогою зміни струму збудження компенсатора. При цьому СК мають значно менші габарити та кращі техніко-економічні показники ніж потужні конденсаторні батареї.

Крім того, у потужних нерегульованих електроприводах замість асинхронних двигунів встановлюють синхронні, які у режимі перезбудження мають можливість генерувати у мережу додаткову реактивну енергію і тим самим підвищують cos j.

2.1.5. Враховуючи сказане вище, для підвищення cos j дослідного двигуна вибираємо спосіб підвищення cosj шляхом ввімкнення батареї статичних конденсаторів, з’єднаних у трикутник. Принципова електрична схема лабораторної установки показана на рис.14.7.

2.2. Дослідна установка, практично, такаж, як у роботі №13, тільки тут додатково встановлюється батарея конденсаторів СВ та ще один контактний блок (розетка - перемикач) S3-XS3.

Навантаження на двигун створює генератор постійного струму паралельного збудження G, який встановлений на загальному валу і обертається асинхронним двигуном M, статорні обмотки якого з’єднані у трикутник. Сам генератор навантажується ступінчасто реостатом EL. Номінальна напруга на затискачах генератора встановлюється регулювальним реостатом RR. Батарея конденсаторів СВ повністю вмикається перемикачем S3.

Для вимірювання струмів і активної потужності при роботі АД установка оснащена вимірювальним блоком (амперметр РА1 і ватметр РW), що вмикається в коло з допомогою штепсельної вилки ХР1-ХР2 через контактний блок S-XS. Причому вмикання приладів слід проводити тільки після повного пуску двигуна у роботу. Інакше для вмикання приладів слід використати трансформатор струму, схема вмикання якого показана на рис.14.3.

Затискачі обмоток ГПС (Я1 і Я2, Ш1 і Ш2), трифазного АД (С1 - С6), батареї конденсаторів, джерела напруги змінного струму (А, В і С) та реостата активного опору (ХТ1 і ХТ2) виведені на лицеву панель лабораторного столу, де також розміщені вимикач напруги (QF) та вимикачі активного навантаження (SA1-SA4).

Живлення здійснюється від мережі змінного струму частою 50 Гц та лінійною напругою 220 В. Вмикання кола в мережу здійснюють через автоматичний повітряний вимикач QF. Між собою елементи кола з’єднують за допомогою провідників з наконечниками та перемичок (потовщені лінії). Рекомендований до використання перелік приладів та пристроїв наведено у додатку 4.

2.3. При проведенні дослідів слід дотримуватись правил техніки безпеки при роботі з електрообладнанням і не допускати перевантаження електротехнічних пристроїв.






© 2023 :: MyLektsii.ru :: Мои Лекции
Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
Копирование текстов разрешено только с указанием индексируемой ссылки на источник.