Wydział Elektryczny Katedra Elektroenergetyki, Fotoniki i Techniki Świetlnej BADANIE WYŁĄCZNIKÓW SILNIKOWYCH

Wydział Elektryczny Katedra Elektroenergetyki, Fotoniki i Techniki Świetlnej BADANIE WYŁĄCZNIKÓW SILNIKOWYCH

Wydział Elektryczny
Katedra Elektroenergetyki, Fotoniki i Techniki Świetlnej
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu:
BUDOWA ORAZ EKSPLOATACJA INSTALACJI I URZĄDZEŃ ELEKTRYCZNYCH
KOD: ES1C710213
Ćwiczenie nr: 8
Temat ćwiczenia:
BADANIE WYŁĄCZNIKÓW SILNIKOWYCH
Opracował:
dr inż. Marcin Sulkowski
2016
1
Spis treści
1.
Wymagania BHP. ..............................................................................................................................3
2.
Cel ćwiczenia. ...................................................................................................................................4
3.
Wiadomości podstawowe. ...............................................................................................................4
4.
3.1.
Wyłączniki silnikowe. ..............................................................................................................4
3.2.
Rodzaje zakłóceń w pracy silników i urządzeń elektrycznych. ...............................................5
3.3.
Dobór zabezpieczeń silników przed oddziaływaniem prądów zwarciowych. .........................7
3.4.
Dobór zabezpieczeń silników przed skutkami prądów przeciążeniowych ........................... 12
3.5.
Zabezpieczenie zanikowe. ..................................................................................................... 16
Opis stanowiska laboratoryjnego .................................................................................................. 17
4.1.
Zasada działania i opis stanowiska laboratoryjnego ............................................................. 17
4.2.
Schemat elektryczny ............................................................................................................. 21
5.
Przebieg ćwiczenia. ....................................................................................................................... 23
6.
Opracowanie wyników badań. ...................................................................................................... 23
2
1. Wymagania BHP.
Ogólne zasady bezpieczeństwa
1) Przed przystąpieniem do zajęć należy zapoznać się z instrukcją dydaktyczną do
stanowiska laboratoryjnego.
2) Dokonać oględzin urządzeń i przyrządów używanych w ćwiczeniu, a o zauważonych
nieprawidłowościach bezzwłocznie powiadomić prowadzącego.
3) Zabrania się samodzielnego załączania stanowiska bez zgody prowadzącego.
4) Zmian konfiguracji obwodów elektrycznych, możliwych jedynie poprzez zmiany połączeń
przewodów, należy dokonywać za zgodą prowadzącego po uprzednim wyłączeniu zasilania
stanowiska.
5) Po załączeniu stanowiska wykonywanie przełączeń (np. wymiana przyrządu) w układzie
znajdującym się pod napięciem jest niedozwolone.
6) W stanowisku laboratoryjnym dostępne są części czynne obwodu elektrycznego o
napięciu przekraczającym napięcie bezpieczne, dlatego przed uruchomieniem należy
zachować odpowiednie oddalenie od tych części czynnych w celu uniknięcia porażenia
prądem elektrycznym.
7) Nie należy podłączać urządzeń nie przeznaczonych do współpracy z tym stanowiskiem
laboratoryjnym.
8) Przekroczenie dopuszczalnych parametrów prądów może doprowadzić do przegrzania się
niektórych podzespołów, pożaru lub porażenia prądem.
9) W przypadku pojawienia się symptomów nieprawidłowego działania (np. swąd spalenizny)
natychmiast należy wyłączyć stanowisko i odłączyć przewód zasilający.
10) Demontaż osłon stanowiska oraz wszelkie naprawy i czynności serwisowe, oprócz
opisanych w instrukcji, powinny być wykonywane przez wykwalifikowany personel po
wyłączeniu stanowiska.
3
2. Cel ćwiczenia.
Celem ćwiczenia jest poznanie budowy, zasady działania i zasad doboru wyłączników
silnikowych w instalacjach elektrycznych niskiego napięcia oraz doświadczalne sprawdzenie
ich podstawowych właściwości.
3. Wiadomości podstawowe.
3.1.
Wyłączniki silnikowe.
Wyłączniki silnikowe są elementami do łączenia, ochrony i rozdzielania obwodów
prądowych przede wszystkim obciążeń z silnikami. Jednocześnie zabezpieczają te silniki
przed zniszczeniem w następstwie zablokowanego rozruchu, przeciążenia, zwarcia i braku
jednej fazy w sieciach trójfazowych. Posiadają one termiczny wyzwalacz do ochrony
uzwojenia silnika (zabezpieczenie przeciążeniowe) i wyzwalacz elektromagnetyczny
(zabezpieczenie zwarciowe).
W wyłącznikach silnikowych wyzwalacze prądowe stosuje się
w następujących
konfiguracjach:
 wyzwalacz przeciążeniowy oraz zwarciowy;
 tylko wyzwalacz przeciążeniowy;
 tylko wyzwalacz zwarciowy.
Zabezpieczenia, aby spełniać stawiane im zadania powinny odpowiadać wymaganiom,
co do: szybkości działania, wybiórczości (selektywności), czułości, niezawodności, poboru
mocy i ekonomiczności.
Wyłączniki silnikowe są produkowane na napięcia znamionowe nieprzekraczające 690V
oraz prądy znamionowe do 80A, przy czym większość producentów ogranicza asortyment do
wyłączników o prądach nieprzekraczających 40 A. Prądy wyłączalne wyłączników
silnikowych z reguły nie przekraczają 6 ÷10 kA.
Do podstawowych właściwości wyłączników silnikowych można zaliczyć:
 możliwość regulacji zakresu pracy wyzwalaczy przeciążeniowych (termicznych);
 krótki czas zadziałania przy pracy niepełnofazowej oraz niesymetrii obciążenia;
 dużą szybkość działania wyłączania prądów zwarciowych (możliwość
4
ograniczania prądów zwarciowych);
 duża trwałość mechaniczna i łączeniowa (rzędu 105 cykli łączeniowych);
 duża znamionowa dopuszczalna częstość łączeń (rzędu 102 cykli/ h);
 znaczna odporność na wstrząsy i drgania;
 niewielkie gabaryty;
 stopień ochrony do IP 65 (możliwość pracy w trudnych warunkach środowiskowych).
Wyłączniki silnikowe przystosowane są z reguły do współpracy z osprzętem pomocniczym,
do którego można zliczyć:
 Wyzwalacze napięciowe: wzrostowe i zanikowe,
 Styki pomocnicze m.in.: sygnalizacja stanu ZAŁ/ WYŁ, sygnalizacja wyzwolenia
wyzwalacza zwarciowego i wyzwalacza przeciążeniowego, sygnalizacja stanu
ZAŁ/WYŁ dla układów rozrusznikowych, styki pomocnicze wyprzedające.
 Rękojeści drzwiowe umożliwiające m.in.: sygnalizację stanu łącznika ZAŁ/ WYŁ/
wyzwolenie, blokadę drzwiczek lub pokryw.
3.2.
Rodzaje zakłóceń w pracy silników i urządzeń elektrycznych.
W praktyce występują zakłócenia stanu pracy silników elektrycznych, podczas których
płynący w nich prąd może osiągać wartość znacznie większą od znamionowej. Zakłócenia te
można podzielić na dwie grupy: wynikające z uszkodzenia silnika oraz wynikające z
warunków ich pracy.
Do grupy pierwszej należą zwarcia, natomiast do grupy drugiej przeciążenia, obniżenie
lub zanik napięcia oraz niekiedy wzrost napięcia.
Zwarcia powstają w wyniku uszkodzenia izolacji spowodowanego przez nadmierny
wzrost naprężeń elektrycznych, mechanicznych lub cieplnych, bądź przez zmniejszenie się
wytrzymałości mechanicznej urządzeń.
Wartość prądu zwarciowego zależy od rodzaju zwarcia (międzyfazowe lub doziemne), typu
sieci zasilającej i od tego czy zwarcie występuje bezpośrednio czy za pośrednictwem
rezystancji przejścia. Prąd zwarcia zazwyczaj przewyższa prąd znamionowy (często nawet
5
kilkaset razy) i wywołuje groźne skutki cieplne oraz dynamiczne. Towarzyszy temu
powstawanie łuku elektrycznego. Niewyłączony w porę łuk może zniszczyć silnik i aparaturę,
a ponadto stwarza niebezpieczeństwo powstania pożaru. W przypadku powstania zwarcia,
urządzenia zabezpieczające powinny spowodować natychmiastowe odłączenie od zasilania
tych wszystkich urządzeń, przez które przepływa prąd zwarcia.
Przeciążenie występuje wtedy, gdy płynący prąd przekracza wartość znamionową o
kilkadziesiąt procent. Przeciążenie może być spowodowane procesem technologicznym (np.
obciążenie silnika zbyt dużym momentem hamującym), przerwą w jednej z faz sieci
zasilającej lub nieprawidłowo przebiegającym rozruchem. W następstwie przeciążenia
temperatura silnika może przekroczyć wartość dopuszczalną, co z kolei powoduje
zmniejszenie trwałości izolacji i skrócenie czasu eksploatacji silnika. Temperatura silnika
rośnie tym szybciej im większe jest przeciążenie oraz im wyższa jest temperatura otoczenia.
Trwały wzrost temperatury uzwojenia o każde 8o powoduje skrócenie czasu życia izolacji do
połowy czasu określonego dla temperatury niższej. Od chwili włączenia silnika do chwili
wyrównania temperatury izolacji uzwojenia z temperaturą otoczenia, temperatura izolacji
rośnie wg funkcji wykładniczej:
gdzie:  0 - ustalony przyrost temperatury, T - stała czasowa nagrzewania.
Stała czasowa jest określona jako stosunek pojemności cieplnej silnika lub uzwojenia
do jego zdolności oddawania ciepła. Stała ta zależy od gabarytów silnika (uzwojenia),
budowy, sposobu wentylacji i warunków pracy. Przy przeciążeniach długotrwałych uzwojenie
nie może być traktowane jako odosobnione. Należy wówczas przyjąć stałą czasową
nagrzewania silnika, która leży w przedziale (20...60) min. Natomiast przy przeciążeniach
krótkotrwałych należy brać pod uwagę stałą czasową nagrzewania uzwojenia, która wynosi
(4...8) min. Stopień przeciążenia decyduje o dopuszczalnym czasie jego trwania.
Rozgraniczenie przeciążeń krótko i długotrwałych jest operacją czysto umowną i opiera się na
klasyfikacji procesu nagrzewania. Przeciążenia, przy których prąd ma wartość (140...150)%
Izn lub wyższą są traktowane jako krótkotrwałe. Ich czas trwania musi być znacznie mniejszy
niż stała czasowa uzwojenia. W przypadku takich przeciążeń nie zachodzi jednak
konieczność natychmiastowego odłączenia silnika od sieci zasilającej.
6
Obniżenie napięcia - może być spowodowane np. zwarciem zewnętrznym i występuje
zarówno w uszkodzonych jak i nieuszkodzonych odcinkach sieci. Obniżenie napięcia
powoduje zmniejszenie momentu napędowego i prędkości obrotowej silników oraz wzrost
prądu pobieranego przez silnik z sieci.
Zanik napięcia - najczęściej spowodowany wyłączeniem uszkodzonego odcinka sieci.
W przypadku zaniku lub znacznego i długotrwałego obniżenia napięcia następuje spadek
momentu napędowego silnika. Ponowny wzrost napięcia do wartości znamionowej - w
przypadku braku odpowiedniego zabezpieczenia - powoduje samoczynny rozruch silnika.
Silnik pobiera znaczny prąd (najczęściej Ir=(5...7) Izn), który wywołuje spadek napięcia w
sieci utrudniając i przedłużając rozruch.
Chcąc uniknąć szkodliwych następstw zwarć i przeciążeń oraz obniżenia lub zaniku
napięcia stosuje się odpowiednie zabezpieczenia.
3.3.
Dobór zabezpieczeń silników przed oddziaływaniem prądów
zwarciowych.
Przerwanie przepływu prądu zwarciowego w obwodzie powinno nastąpić zanim pojawi
się niebezpieczeństwo uszkodzeń cieplnych oraz mechanicznych w przewodach, połączeniach
i urządzeniach. Wymaga to poprawnego dobrania urządzenia zabezpieczającego przed
skutkami przepływu prądu zwarciowego.
Prąd, który może płynąć w zwartym obwodzie nazywamy spodziewanym prądem
zwarciowym. Wartość tego prądu powinna być znana w momencie doboru zabezpieczenia
zwarciowego. Przewidywane wartości prądów zwarciowych należy określić w miejscach, w
których ich znajomość jest niezbędna, ze względu na bezpieczeństwo eksploatacji instalacji.
Dla danego obwodu elektrycznego wartość prądu zwarciowego maleje wraz z oddalaniem się
od źródła zasilania, ponieważ powiększa się impedancja obwodu, która zależy od przekroju
poprzecznego i długości przewodów. Z reguły dla doboru zabezpieczeń zwarciowych
charakterystycznym miejscem, dla którego oblicza się wartość spodziewanego prądu
zwarciowego jest rozdzielnica, w której są zainstalowane zabezpieczenia zwarciowe. W takiej
sytuacji, jeżeli zwarcie wystąpi w odbiorniku objętym tym zabezpieczeniem, zabezpieczenie
to zostanie pobudzone. W przypadkach wątpliwych należy sprawdzić skuteczność działania
7
zabezpieczenia zwarciowego przy założeniu zwarcia w chronionym odbiorniku.
Ma to
szczególne znaczenie w przypadku znacznej długości przewodów pomiędzy zainstalowanym
zabezpieczeniem zwarciowym, a odbiornikiem, a tym samym znacznych różnic wartości
prądów zwarciowych w tych miejscach.
Jako zabezpieczenia zwarciowe stosuje się wyzwalacze elektromagnetyczne lub
bezpieczniki topikowe. Prąd znamionowy zabezpieczenia powinien być tak dobrany, żeby
jego wartość była jak najbliższa wartości prądu znamionowemu zabezpieczanego silnika, ale
jednocześnie tak duży, aby nie nastąpiło jego zadziałanie w czasie rozruchu.
Przy doborze prądów znamionowych wkładek topikowych należy uwzględnić typ
wkładek (aM, gL, i in.) oraz czas trwania rozruchu, zależny od momentu hamującego podczas
rozruchu. Jeżeli znane są charakterystyki czasowo-prądowe wkładek topikowych oraz
przebieg prądu rozruchowego silnika to należy dobrać wkładkę o najmniejszej wartości prądu
znamionowego, której charakterystyka nie przecina sie z charakterystyka czasowo-prądowa
silnika podczas rozruchu (rys.3.1.).
Rys.3.1. Zasada doboru prądu znamionowego wkładki bezpiecznikowej, stanowiącej zabezpieczenie zwarciowe
silnika, przez porównanie przebiegu charakterystyk czasowo-prądowych bezpieczników (Inb) oraz prądów
rozruchowych (Ir) przy różnych rodzajach rozruchu: InM – prąd znamionowy silnika, Irm – maksymalny prąd
rozruchowy silnika [1]
W praktyce zastępuje sie rzeczywisty przebieg prądu rozruchowego przebiegiem
zastępczym (rys.3.2.), w którym zakłada sie, że silnik będzie pobierał w trakcie rozruchu prąd
o niezmiennej wartości Ilr równej wartości skutecznej maksymalnego prądu rozruchowego
przez zastępczy czas rozruchu tzr wyznaczony z zależności:
8
w której: Irm - największa wartość prądu rozruchowego, Irt - skuteczna wartość (zmienna w
czasie) prądu rozruchowego, tr - rzeczywisty czas trwania rozruchu.
Zastępcze czasy trwania rozruchu zawierają sie zwykle w przedziale 0,6÷0,7
rzeczywistego czasu rozruchu.
Rys.3.2. Zasada doboru wkładki bezpiecznikowej z wykorzystaniem zastępczej charakterystyki rozruchu silnika:
1 – charakterystyka prądu rozruchowego silnika, 2 – zastępcza charakterystyka rozruchu, tzr – zastępczy czas
trwania rozruchu [1]
Zwykle jednak nie dysponuje sie charakterystykami rozruchowymi silnika i w takim
wypadku wartości prądów znamionowych wkładek bezpiecznikowych można dobrać w
sposób uproszczony korzystając z następujących zależności:
w których: Inm – prąd znamionowy silnika, Irm – największa wartość prądu rozruchowego silnika, kr =
Irm/InM – współczynnik rozruchu silnika, α – współczynnik zależny od typu wkładki, rodzaju i
częstości rozruchów (tab.3.1).
9
Zabezpieczenie zwarciowe w wyłącznikach silnikowych jest realizowane za pomocą
wyzwalacza elektromagnetycznego.
Możliwe są różne rozwiązania konstrukcyjne wyzwalaczy elektromagnetycznych, lecz
zasada działania jest jednakowa. Cewka elektromagnesu połączona jest szeregowo ze stykami
głównymi wyłącznika (rys. 3.3) i w przypadku gdy popłynie prąd przekraczający wartość
prądu nastawienia, siła elektromagnesu powoduje zadziałanie wyzwalacza. Wyzwalacz
oddziaływuje bezpośrednio na zwolnienie napędu wyłącznika i powoduje rozdzielenie styków
głównych. Przekaźnik elektromagnetyczny powoduje natomiast przerwę w obwodzie
sterującym przyczyniając się w sposób pośredni do rozdzielenia styków głównych.
Rys.3.3. Układ elementów wyzwalacza elektromagnetycznego: 1 - rdzeń elektromagnesu; 2 - cewka
elektromagnesu; 3- sprężyna; 4 - zamek wyłącznika; 5 - styki główne [2]
Przykładem wyłącznika wyposażonego tylko w wyzwalacz zwarciowy jest wyłącznik
typu
M250-MS.
Poniżej
(rys.3.4.)
przedstawiono
styk
roboczy
elektromagnetycznym.
Rys.3.4. Styk roboczy wyłącznika silnikowego z wyzwalaczem elektromagnetycznym.
10
z
wyzwalaczem
W przypadku zastosowania wyłącznika jako zabezpieczenia zwarciowego silnika,
prąd działania wyzwalaczy elektromagnetycznych Iwm powinien być większy od największych
chwilowych wartości prądów rozruchowych silnika. W praktyce przyjmuje sie zasadę, że
powinien być spełniony warunek:
W przypadku kiedy wyłącznik nie posiada możliwości nastawiania prądu działania
wyzwalaczy elektromagnetycznych, to w celu spełnienia powyższego warunku
należy
generalnie zastosować wyłącznik o charakterystyce czasowo-prądowej wyzwalaczy
przetężeniowych typu D. Prąd działania wyzwalaczy bezzwłocznych tego typu wyłącznika
wynosi co najmniej 10-krotna wartość prądu wyzwalaczy przeciążeniowych. Uwzględniając
fakt, że współczynniki rozruchu silników przy rozruchu bezpośrednim zawierają sie w
przedziale 4÷8, nie ma możliwości przypadkowego działania wyłącznika w trakcie normalnej
eksploatacji silnika. W pewnych sytuacjach (np. rozruch lekki, rozruch przez przełącznik
gwiazda-trójkąt) możliwe jest zastosowanie wyłącznika o charakterystyce typu C, o prądach
działania wyzwalaczy bezzwłocznych równych 5÷10 krotnej wartości prądów znamionowych
wyzwalaczy przeciążeniowych.
Tab.3.1. Wartości współczynnika α przy różnych warunkach rozruchowych [1].
Rodzaj
Moment hamujący Mh
Wkładka o działaniu
rozruchu
silnika w czasie rozruchu
Szybkim (gI) np. gL
Zwłocznym (gII) np. aM
Częstość rozruchu
Częstość rozruchu
Kilka na dobę
częsty
Kilka na dobę
Lekki
2,5
2,0
3,0
Średni
2,0
1,8
2,5
Ciężki
1,6
1,5
1,6
Mn –moment znamionowy silnika
Rozruch kilka razy na dobę odpowiada 3÷5 rozruchom, rozruch częsty powyżej tej wartości.
11
Częsty
2,5
2,0
1,5
3.4.
Dobór zabezpieczeń silników przed skutkami prądów przeciążeniowych
Przy niewłaściwym doborze zabezpieczeń prądy przetężeniowe mogą powodować
przekroczenie dopuszczalnej temperatury przewodu lub chronionego urządzenia, co może
prowadzić do wielu niepożądanych zjawisk takich, jak pożar, wybuch, zniszczenie izolacji,
przewodów oraz zniszczenie połączeń zestykowych. Zabezpieczenia przeciążeniowe można
umieszczać w dowolnym miejscu między silnikiem, a źródłem zasilania.
Jako zabezpieczenia przeciążeniowe silników najczęściej stosuje się:
 wyłączniki z wyzwalaczami termobimetalowymi
 styczniki z wyzwalaczami termobimetalowymi
Silnik będzie prawidłowo zabezpieczony przed przeciążeniem jeżeli charakterystyka
czasowo-prądowa zabezpieczenia przeciążeniowego będzie leżała poniżej charakterystyki
cieplnej uzwojeń silnika (rys.3.5.). Bezpośredni dobór zabezpieczenia przez porównanie
charakterystyk jest praktycznie niemożliwy, ponieważ najczęściej przebiegi cieplnych
charakterystyk czasowo-prądowych silników nie są znane. Warunek ten jest jednak uważamy
za spełniony, gdy prąd nastawienia zabezpieczeń przeciążeniowych Int jest określony
zależnością:
gdzie: InM – prąd znamionowy silnika.
Zadziałanie zabezpieczenia przy takim nastawieniu nastąpi w praktyce przy trwałym
obciążeniu prądem (1,1÷1,15)InM . Pozwala to na uzyskanie pełnej mocy silnika przy małym
prawdopodobieństwie jego uszkodzenia.
12
Rys.3.5. Różne sposoby zabezpieczenia przeciążeniowego silników: a) układy połączeń; b) przebiegi
charakterystyk czasowo-prądowych prawidłowo dobranych zabezpieczeń (w układzie 1, 2, 3) i silnika (krzywa
Tc) oraz przebieg prądu rozruchowego Ir; WT, PT – wyzwalacz, przekaźnik przeciążeniowy, F – bezpiecznik,
Int – prąd nastawienia wyzwalaczy, przekaźników przeciążeniowych, Iwm – prąd działania wyzwalaczy
zwarciowych, Inw – prąd wyłączalny wyłącznika, Inm – prąd znamionowy silnika, Ik – prąd zwarciowy [3]
W przypadku silników, które są podłączone do sieci za pośrednictwem przełącznika
gwiazda-trójkąt zabezpieczenia przeciążeniowe powinny być zainstalowane w przewodach
fazowych będących przedłużeniem uzwojeń i nastawione na prąd wyznaczony z zależności:
Jeżeli zabezpieczenia przeciążeniowe zostaną umieszczone w przewodach zasilających i
nastawione na prąd znamionowy silnika, to zabezpiecza one silnik tylko przy uzwojeniach
połączonych w trójkąt. Po przełączeniu uzwojeń w gwiazdę, silnik nie będzie chroniony przed
przeciążeniem, ponieważ zabezpieczenia przeciążeniowe będą działały dopiero przy prądach
3 razy większych od prądu znamionowego silnika.
13
Przy doborze zabezpieczenia przeciążeniowego należy zwrócić uwagę na to, aby
wytrzymałość zwarciowa zabezpieczenia była dostateczna. Wytrzymałość zwarciowa
zabezpieczenia przeciążeniowego, jest określona w katalogach wytwórcy lub na tabliczce
znamionowej przekaźnika, największa wartością prądu zwarciowego jaki może przepłynąć
przez zabezpieczenie przeciążeniowe nie powodując jego uszkodzenia lub jako maksymalna
wartość prądu znamionowego wkładki topikowej, pełniącej role zabezpieczenia zwarciowego.
Jeżeli prąd znamionowy wybranej wkładki topikowej jest większy niż odpowiadający danemu
zabezpieczeniu przeciążeniowemu, to należy dobrać zabezpieczenie przeciążeniowe o
większej wytrzymałości zwarciowej i o zakresie nastawienia obejmującym prąd znamionowy
silnika.
Zabezpieczenie przeciążeniowe w wyłącznikach silnikowych jest realizowane za
pomocą przekaźników lub wyzwalaczy cieplnych bimetalowych.
Przekaźniki cieplne należą do grupy przekaźników prądowych. Stosuje się je do
zabezpieczeń od przeciążenia urządzeń posiadających uzwojenia prądowe. Większość
przekaźników cieplnych działa na zasadzie zmian kształtu, wymiarów geometrycznych lub
własności fizycznych elementu pomiarowego pod wpływem zmian jego temperatury.
Najbardziej rozpowszechnionym rozwiązaniem są wyzwalacze i przekaźniki bimetalowe (2
paski metali różniące się współczynnikiem rozszerzalności cieplnej liniowej, zgrzane ze
sobą). W celu uzyskania odpowiednio dużego ugięcia stosuje się różne kształty pasków.
Zasadę działania wyzwalacza bimetalowego pokazuje rysunek poniżej (Rys.3.6.)
Rys.3.6. Wyzwalacz bimetalowy 1 – bimetal roboczy, 2 – bimetal kompensujący, 3 – przycisk kasujący, 4 –
regulacja prądu działania [2]
14
Rys.3.7. Potencjometr
przeciążeniowego.
umożliwiający
kształtowanie
charakterystyki
czasowo-prądowej
wyzwalacza
W przypadku wystąpienia prądu przeciążeniowego w obwodzie, bimetal roboczy
odkształca się, powodując przesunięcie dźwigni i zadziałanie wyłącznika. Wyzwalacze
bimetalowe często posiadają pokrętła (rys.3.7.), którymi można zmieniać długość drogi, jaką
musi pokonać odkształcający się bimetal. Uzyskuje się przez to możliwość regulacji prądu
rozruchowego. Bezwzględne wygięcie bimetalu zależy od wartości temperatury a nie od jej
przyrostu; powoduje to szybsze działanie przekaźnika w przypadku, gdy pracuje on w
wyższej temperaturze otoczenia. Jest to zjawisko niekorzystne, ponieważ charakterystyka
włącznika powinna być niezależna od temperatury otoczenia. Aby spełnić to wymaganie
stosuje się kompensację eliminującą wpływ zmian temperatury otoczenia. Przykładowe
rozwiązanie przedstawione jest na poniższym rysunku:
Rys.3.8. 1 – bimetal właściwy, 2 – grzejnik, 3 – bimetal kompensacyjny, 4 – zestyk, 5 – izolacja termiczna
Obydwa styki przekaźnika umieszczone są na paskach bimetalowych (takich samych).
W przypadku zmiany temperatury otoczenia następuje odkształcenie obydwu bimetali, dzięki
czemu nie zmienia się droga, jaką musi pokonać bimetal właściwy, aby spowodować
15
zadziałanie przekaźnika. Konieczne jest odizolowanie termiczne bimetalu kompensacyjnego
od właściwego.
Przykładem wyłącznika wyposażonego tylko w wyzwalacz przeciążeniowy jest
wyłącznik typu
M250 T. Poniżej przedstawiono styk roboczy z wyzwalaczem
przeciążeniowym tego właśnie wyłącznika.
Rys.3.9. Styk roboczy wyłącznika silnikowego z wyzwalaczem bimetalowym.
3.5.
Zabezpieczenie zanikowe.
Zabezpieczenia te stosuje się w celu uniemożliwienia samorozruchu silników w chwili
powrotu napięcia, po jego zaniku, lub wówczas, gdy obniżenie napięcia zasilania
uniemożliwia prawidłową pracę silnika, a zabezpieczenie przeciążeniowe nie jest stosowane
lub nie jest w stanie wykryć zagrożenia. Samorozruch może być przyczyną szkodliwych
następstw dla instalacji i urządzeń oraz w wielu przypadkach stanowi zagrożenie dla zdrowia
i życia obsługi. Jako zabezpieczenie zanikowe stosuje się czujniki zaniku fazy, wyłączniki
zapadkowe z cewką zanikową lub styczniki.
Rolę zabezpieczenia spełnia w tym przypadku elektromagnes stycznika, który powoduje
bezzwłoczne odpadanie zwory przy obniżeniu się napięcia do wartości poniżej 50%Uzn.
Niekiedy stosowane są układy kondensatorowe, powodujące opóźnienie w odpadaniu zwór,
włączone równolegle do cewki stycznika i przycisku wyłączającego.
16
Wyzwalacze napięciowe zanikowe są budowane jako szybkie oraz zwłoczne. Wyzwalacze
szybkie powodują bezzwłoczne otwarcie wyłączników przy zmniejszeniu napięcia do
(0,7...0,35) wartości znamionowej i umożliwiają załączenie wyłączników, gdy napięcie jest
wyższe niż 0,85 napięcia znamionowego. Wyzwalacze zwłoczne powodują otwarcie
wyłączników przy zmniejszeniu napięcia poniżej 0,35Uzn po zwłoce czasowej (0,2...0,6)s
nastawionej na mechanizmie zegarowym i umożliwiają zamknięcie wyłącznika przy napięciu
mniejszym niż 0,85Uzn.
Cewkę sterującą w styczniku można również traktować jako wyzwalacz podnapięciowy,
który powoduje rozdzielenie styków roboczych przy obniżeniu lub zaniku napięcia.
Charakterystykę sterowania stycznika przedstawia rys.3.10. Przeciętne czasy załączania lub
wyłączania zależnie od konstrukcji stycznika wynoszą (10...50)ms.
Rys.3.10. Charakterystyka sterowania stycznika.
4. Opis stanowiska laboratoryjnego
4.1.
Zasada działania i opis stanowiska laboratoryjnego
Stanowisko składa się z dwóch paneli. Na panelu pionowym zostały zamontowane:
badane wyłączniki silnikowe, diody sygnalizujące załączenie danego elementu, przełącznik
do
sterowania
stycznikowym
układem
przełączeniowym
gwiazda-trójkąt,
schemat
elektryczny; zaś na panelu poziomym: przyciski sterujące stycznikami, zaciski umożliwiające
podłączenie silnika oraz wyłącznik bezpieczeństwa.
17
Za pomocą panelu sterowniczego możemy w prosty sposób wybierać, które wyłącznik
badamy. Do dyspozycji mamy dwa sposoby rozruchu silnika: uzwojenia silnika połączone w
trójkąt lub za pomocą przełącznika do sterowania stycznikowym układem przełączeniowym
gwiazda-trójkąt. Wszystkie czynności łączeniowe wykonywane są za pomocą styczników
sterowanych przyciskami znajdującymi się na panelu sterowniczym. Wszystkie styczniki
zostały zamontowane w kaskadzie i czynności łączeniowe możemy wykonywać tylko w
określonej kolejności, najpierw stycznik główny, później stycznik odpowiadający za
załączenie danego wyłącznika, a na końcu sposób rozruchu silnika. Dzięki takiemu
rozwiązaniu nie możemy załączyć danego wyłącznika do badania jeżeli nie załączymy
stycznika głównego, nie możemy załączyć do badania drugiego wyłącznika jeśli nie
wyłączymy poprzedniego, jeśli wybierzemy jeden sposób rozruchu nie damy rady wybrać
drugiego. Pozwala to zabezpieczyć zarówno silnik jak i elementy badane przed omyłkowym
lub celowym uszkodzeniem.
Na płycie pionowej w lewym górnym rogu (rys.4.1.) znajduje się sześć zacisków, po
połączeniu ich ze sobą możemy mierzyć na przewodach łączących miernikiem cęgowym
wartość prądu pobieranego przez silnik.
Rys.4.1. Widok panelu pionowego z połączonymi zaciskami pomiarowymi.
Obok zacisków do pomiaru prądu znajdują się dwa zaciski połączone zworą. Po wyjęciu
zwory mamy możliwość sprawdzania wyłączników silnikowych pod kątem ochrony przed
pracą niepełnofazową silników lub po podłączeniu w miejsce zwory autotransformatora przy
obniżonym napięciu w jednej z faz.
18
Do podłączenia autotransformatora na bocznej ścianie zostało specjalnie zamontowane
gniazdo wtykowe. Gniazdo zostało zamontowane ponieważ podłączenie autotransformatora
do przypadkowego gniazda mogłoby spowodować zwarcie, a gniazdo zamontowane w
stanowisku jest zasilane z tej samej fazy, w której została zamontowana zwora.
Rys. 4.2. Gniazdo wtykowe na bocznej ścianie stanowiska.
Na rys.4.3.
został zamieszczony schemat wraz z oznaczeniami panelu sterowniczego.
Przyciski zielone służą do załączania, natomiast czerwone do wyłączania danych obwodów.
Poniżej omówię znaczenie skrótów użytych do oznaczenia przycisków i zacisków:
 STG- przyciski służące do zał/wył stanowiska
 ST1, ST2, ST3, ST4 – przyciski służące do zał/wył poszczególnych wyłączników
silnikowych
 STY/∆ - przyciski służące do zał/wył rozruchu silnika za pomocą przełącznika do
sterowania stycznikowym układem przełączeniowym gwiazda-trójkąt
 ST∆ - przyciski służące do zał/wył silnika przy uzwojeniach połączonych w trójkąt
 U1, V1, W1, U2, V2, W2, N, PE – zaciski służące do podłączenia silnika
W lewym rogu panelu sterowniczego znajduje się wyłącznik bezpieczeństwa.
19
Rys.4.3. Schemat wraz z oznaczeniami panelu sterowniczego.
20
4.2.
Schemat elektryczny
Na rys.4.4. został zamieszczony schemat elektryczny stanowiska wraz z oznaczeniami.
Poniżej omówię znaczenie skrótów użytych w schemacie:
 STG – stycznik główny służący do załączania i wyłączania całego stanowiska,
 Z1 – zwora umożliwiająca badanie wyłączników silnikowych pod kątem zaniku fazy
lub obniżenia napięcia
 ST1 – stycznik służący do załączania i wyłączania wyłącznika silnikowego pierwszego
 ST2 – stycznik służący do załączania i wyłączania wyłącznika silnikowego drugiego
 ST3 – stycznik służący do załączania i wyłączania wyłącznika silnikowego trzeciego
 ST4 – stycznik służący do załączania i wyłączania wyłącznika silnikowego czwartego
 W1 – wyłącznik silnikowy pierwszy
 W2 – wyłącznik silnikowy drugi
 W3 – wyłącznik silnikowy trzeci
 W4 – wyłącznik silnikowy czwarty
 ST∆ - stycznik służący do załączania i wyłączania silnika przy uzwojeniach
połączonych w trójkąt
 STY/∆ - stycznik służący do załączania i wyłączania rozruchu silnika za pomocą
przełącznika do sterowania stycznikowym układem przełączeniowym gwiazda-trójkąt
 M3AC – silnik asynchroniczny trójfazowy.
21
Rys.4.4. Schemat elekryczny wraz z oznaczeniamstanowiska laboratoryjnego do badania oraz doboru wyłączników silnikowych.
22
5. Przebieg ćwiczenia.
a) Na podstawie parametrów znamionowych silnika dobrać wstępnie parametry
zabezpieczeń zwarciowe i przeciążeniowe silnika, pokaz pracy silnika przy
symetrycznym zasilaniu
b) Wyznaczyć charakterystykę czasowo – prądową wyłącznika silnikowego wskazanego
przez prowadzącego. Charakterystyka zostanie sporządzona dla stanu nienagrzanego.
Należy zmierzyć czas zadziałania wyłącznika dla prądów równych: 1.10, 1.20, 1.50,
2.00, 2.50, 3.50, 5.00 x In. Po każdym zadziałaniu przekaźnika należy odczekać, aż
bimetal
ostygnie.
Na
podstawie
wykonanych
pomiarów
należy
wykreślić
charakterystykę t = f(I / In). Wyniki zestawić w tabeli.
c) Dla zadanych przez prowadzącego warunków obciążenia silnika wykonać pomiary
największego prądu rozruchowego, prądu obciążenia silnika oraz czasów trwania
rozruchu. Wyznaczyć wartości zastępczych czasów rozruchu i dobrać wkładki
bezpiecznikowe z wykorzystaniem charakterystyk czasowo-prądowych.
d) Wyznaczenie charakterystyki czasowo-prądowej wyzwalacza przeciążeniowego
wskazanych przez prowadzącego wyłączników silnikowych.
e) Sprawdzenie wskazanych przez prowadzącego wyłączników silnikowych pod kątem
pracy niepełno fazowej i przy obniżonym napięciu.
6. Opracowanie wyników badań.
Sprawozdanie studenckie powinno zawierać:
 Cel ćwiczenia
 Schematy badanych układów
 Analizę zasady działania poszczególnych układów
 Pomiary z wykonywanych badań
 Spostrzeżenia i wnioski.
23
7. Literatura
[1] Lejdy B.: Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Wydawnictwo NaukowoTechniczne, Warszawa 2015
[2] Markiewicz H.: Instalacje elektryczne. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa
2012
[3] PN-EN 60947 Aparatura rozdzielcza i sterownicza niskonapięciowa – norma
wieloarkuszowa
[4] Katalog – „Wyłączniki silnikowe” firmy Moeller
[5] Katalog produktów firmy Fael i Legrand
24