Устройство для токовой защиты асинхронного электродвигателя

 

Изобретение относится к области релейной защиты элементов электрических систем. Целью изобретения является повышение чувствительности, селективности и надежности функционирования. Цель достигается за счет выделения свободной составляющей тока машины фильтровым методом из сигнала, получаемого гашением большей части мгновенного значения пускового тока. После фильтрации свободных составляющих тока асинхронной машины осуществляется компенсация апериодической составляющей, выделяемой как разность амплитуд первого периода тока. Когда частота вращения ротора машины пренебрежимо мала, практически отсутствуют субгармонические составляющие токов. Тепловое состояние машины моделируется тремя апериодическими элементами с взаимной связью и ключевой схемой увеличения постоянной времени нагрева модели при успешном пуске машины. Контроль теплового состояния осуществляется для моделей обмоток статора и ротора. Устройство защиты обеспечивает пониженный сигнал небаланса частотой 50 Гц в выделяемых свободных составляющих тока. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1661898 А 1 (51)5 Н 02 Н 5 04, 3/08 7 08

l. "1;;„IPP

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4604622/07 (22) 14.11.88 (46) 07.Р7.91. Бюл. № 25 (71) Ставропольский политехнический институт и Северо-Кавказский научно-исследовательский институт природных газов (72) В. Ф. Минаков, Е. Ф. Минаков, И. С., Шихкеримов, С. Л. Кужеков и С. В. Дорожко (53) 621.316.925 (088;8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1141502, кл. Н 02 Н 7/08, 1983.

Авторское свидетельство СССР № 1319132, кл. Н 02 Н 3/08, 1985.

Авторское свидетельство СССР № 1582262, кл. Н 02 Н 7/085, 08.11.88. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ (57) Изобретение относится к области релейной защиты элементов электрических систем.

Целью изобретения является повышение

Изобретение относится к области электротехники, а именно к средствам релейной защиты электрических машин и может быть использовано на электрических станциях, подстанциях, в районных электрических сетях, а также системах электроснабжения промышленных предприятий для предотвращения повреждений асинхронных электродвигателей в результате заклиниваний ротора, несостоявшихся пусков, перегрузок, локализации размеров внутренних повреждений.

Цель изобретения — повышение чувствительности, селективности и надежности функционирования защиты электродвигателя.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства; на фиг. 2 — принципиальная электрическая схема. чувствительности, селективности и надежности функционирования. Цель достигается за счет выделения свободной составляющей тока машины фильтровым методом из сигнала, получаемого гашением большей части мгновенного значения пускового тока. После фильтрации свободных составляющих тока асинхронной машины осуществляется компенсация апериодической составляющей, выделяемой как разность амплитуд первого периода тока. Когда частота вращения ротора машины пренебрежимо мала, практически отсутствуют субгармонические составляющие токов. Тепловое состояние машины моделируется тремя апериодическими элементами с взаимной связью и ключевой схемой увеличения постоянной времени нагрева модели при успешном пуске машины. Конт- Я роль теплового состояния осуществляется для моделей обмоток статора и ротора. Устройство защиты обеспечивает пониженный сигнал небаланса частотой 50 Гц в выделяемых свободных составляющих тока. 2 ил.

Устройство содержит измеритель 1 тока 4 1 электродвигателя в цепи его статора, включающий в себя трансформатор 2 тока и пре- ь образователь 3 ток — напряжение (проме- (ф жуточный трансформатор, нагруженный ре- в зистором) . К выходу последнего через ограничитель 4 уровня сигнала на заданное зна- 0 ) чение подключены выпрямители положительных 5 и 7 и отрицательных 6 и 8 полуволн тока. Первая группа выпрямителей 5 и 6 нагружена инерционным звеном 9, соединенным через орган 10 компенсации аперио-,3 дического тока с триггером-компаратором l l а также с ключом 12. Вторая группа выпрямителей 7 и 8 присоединена к элементу 13 задержки, нагруженному управляющей цепью ключа 12, а также к блоку многоконтурного 14 RC-аналога теплового состояния электродвигателя и формирователю 15 на1661898 пряжения, пропорционального производной принужденного тока асинхронного двигателя. Выходы блоков 14 и 15 через компаратор 16 соединены с исполнительным,органом 17 устройства защиты. При этом блок 14 многоконтурного RC-аналога теплового состояния связан с выходом триггера-компаратора 11.

Устройство работает следующим образом.

Ток статора защищаемого электродвигателя преобразуется трансформатором 2 тока к уровню первичного номинального тока промежуточного трансформатора, который вместе с регулировочным резистором в цепи его вторичной обмотки образует преобразователь ток — напряжение 3. Его выходное на пряжение после га шени я стабилитроном ограничителя 4 (ограничитель гасит часть напряжения, численно равную 0,75--0,85IÄ, где /„— паспортное значение пуско гого тока электродвигателя) преобразует я < .1нополупериодными выпрямителями 5 и 6 с глаживающими конденсаторами в нап!г. ;,ения, пропорциональные амплитудам соответственно положительной и отрицательной полуволн тока статора защищаемой машины за вычетом заданного значения (уровня

0,75 — -0,85 lÄ), что позволяет уменьшить долю сигнала, пропорционального принужденной составляющей пускового тока частотой

50 Гц). Кроме того, выходное напряжение измерителя I тока без ограничения преобразуется выпрямителями 7 и 8 в напряжения, пропорциональные амплитудам соответственно положительной и отрицательной полуволн тока статора машины.

Каждый из полупериодов принужденной составляющей пускового тока частотой 50 Гц действует вместе со свободными составляющими: апериодической i„è низкочастотной периодической i„,.g. На интервалах в" емени, когда суммарный свободный ток по I()æèòåлен, амплитуда положительной полу волны принужденного тока увеличивается, а амплитуда отрицательной уменьшается. Следовательно, напряжения на выходах выпрямителей 5 и 7 отличаются от напряжений выходов 6 и 8 на величину, пропорциональную свободному току машины.

Напряжения выпрямителей 5 и 6 имеют различные знаки и суммируются! операционным усилителем инерционного звена 9. В результате суммирования значения свободных составляющих удваиваются, а принужденных — компенсируются. Поэтому выходное напряжение инерционного звена 9 (имеющего постоянную времени 20 — 25 мс) пропорционально свободной составляющей тока машины i,g=i.+i„,g. Так как составляющая

i„,3 появляется только при разгоне машины, то она является признаком успешного пуска.

Ее выделение поэтому необходимо для идентифицикации разгона машины. Следует отметить, что точной компенсации принужден5

I0

15 )Q

30 JQ

55 ного тока частотой 50 Гц получить на неинвертирующем входе операционного усилителя органа 9 не удается, хотя компенсируются сигналы, пропорциональные не амплитудам пускового тока, а только его части (!в

0,75 — 0,85)I„=(0,25 — 0,15)l„. Для подавления сигнала небаланса частотой 50 Гц орган 9 и выполняется в виде инерционного звена с постоянной времени 20 — 25 мс, что придает ему свойства частотного фильтра и увеличивает отношение полезного низкочастотного сигнала к сигналу небаланса на его выходе.

Для разделения результирующего сво бодного тока, выделяемого инерционным звеном 9, на периодическую и апериодическую составляющие в первые 25 — 28 мс после подключения двигателя к сети (увеличепия тока до пускового значения) выход звена 9 нагружается ключом 12 на элемент IO выделения апериодического тока. Разделение свободных апериодических и периодических составляющих основано на зависимости периодических составляющих от частоты вращения ротора ю„в частности генераторном характере их возникновения, а следовательно, равенстве нулю при заторможенном роторе. B момент подключения электродвигателя к сети как раз и имеет место равенство нулю частоты вращения. Поэтом в IBííûé момент измеряемый ток, а сл loвательно, напряжение на выходе инерционного звена 9 не содержат свободной периодической составляющей. То же относится к первым десяткам миллисекунд разгона двигателя, когда частота вращения ротора пренебрежимо мала. Следует отметить, что первый после включения машины отрезок времени в 25 — 28 мс ключ 2 соединяет блок 10 выделения апериодической составляющей с выходом инерционного звена 9: это время необходимо для выделения апериодической составляющей тока выпрямителями 5 и 6. Первый период — полтора осуц ествляется сопоставление амплитуд положительной и отрицательной по1YBolH тока, формирование разности их модулей, т. е. выделение апериодической составляющей.

Напряжением, пропорциональным апериодической составляющей тока, заряжается конденсатор элемента 10, подсоединяемый при запуске электродвигателя ключом 12 к земле и потенциальному выходу инерционного звена 9. Через 25 — 28 мс ключ 12 деLHvHTHp) вход триггера-компаратора 1! .

При этом конденсатор элемента 10 оказываетсяя подключенным последовательно с выходом блока 9, причем его напряжение, пропорциональное а периодической составляющей переходного тока, вычитается из суммарного свобод.юго тока на выходы блока 9.

Следовательно, на входе триггера-компаратора 1 действует только свободная периодическая составляющая переходного пускового тока.

1661898

Компаратором 11 с положительной обратной связью осуществляется сравнение текущего значения свободного периодического тока с заданным значением (как при положительном его знаке, так и при отрицательном). Ненулевое значение опорного напряжения компаратора исключает возможность его срабатывания от небаланса частотой 50 Гц. Компаратор отстраивается от сигнала небаланса частотой 50 Гц при кратности первичного тока, равной пусковой в заторможенном роторе.

Триггер-компаратор 1! при наличии низкочастотного периодического тока переключается и удерживается за счет положительной обратной связи в состоянии положитель. ного выходного сигнала, отпирая транзистор

RC-аналога теплового состояния двигателя.

Транзистор подключает дополнительную емкость к RC-аналогу нагрева машины, увеличивая до максимального значения время достижения ее выходным напряжением порога срабатывания выходного компа ратора 16. Питание RC-аналога осуществляется от последовательно соединенных однополупериодных выпрямителей 7 и 8. Многоконтурный тепловой RC-аналог эквивалентирует нагрев каждого из разнородных в тепловом отношении элементов машины: обмоток статора, стали, обмоток ротора. Каждому из перечисленных элементов машины соответствует отдельная емкость и резистивная связь с измерителем тока машины, а также взаимные резистивные связи, характеризующие взаимную теплопередачу нагревающихся элементов машины. Пропорциональные температурам обмоток напряжения конденсаторов подаются на компаратор 11.

Если по истечении времени, равного длительности разгона машины, ее ток не снизил своего значения до уровня номинального или меньшего значения, напряжение выхода тепловой модели вместе с дополнительным конденсатором достигает порога переключения компаратора, который вырабатывает сигнал на срабатывание исполнительного органа 17, а соответственно отключение электродвигателя.

В том случае, когда низкочастотный периодический ток отсутствует, т. е. ротор машины не разворачивается, триггер-компаратор 11 не переключается, транзистор RCаналога теплового состояния заперт, дополнительный конденсатор исключен из контура заряда. Постоянные времени заряда основных конденсаторов тепловой модели при этом много меньше и, следовательно, при пусковой кратности измеряемого тока, но заторможенном роторе выходное напряжение достигает порога переключения выходного компаратора с ускорением, обеспечивая отключение электродвигателя при несостоявшемся пуске с меньшей выдержкой времени.

Выходное напряжение выпрямителей 7 и 8, кроме того, преобразуется формирова6 телем 15 в напряжение Uis=Ki I,+К dI./

/dt, где Кь К вЂ” вещественные коэффициенты, определяющие соотношение тока и его производной в рабочем сигнале отсечки; I действующее значение принужденной составляющей тока частотой 50 Гц. Это напряжение также сравнивается компаратором с опорным, обеспечивая срабатывание защиты при сверхтоках без выдержки времени, т. е. отсечку по току.

Короткие замыкания, к которым нечувствительна отсечка, вызывают срабатывание выходного компаратора за счет быстрого нарастания напряжения блока 14. Так как субгармонические составляющие в этом случае отсутствуют, то транзистор блока 14 заперт, дополнительный конденсатор отключен, постоянные времени заряда конденсаторов блока 14 существенно уменьшены.

Кроме того, при кратностях тока, превышающих 0,7К,I„. (К. — кратность пускового

20 тока, /„,„— номинальный ток статора машины), через 25 — 28 мс срабатывает орган 7 задержки, ускоряя выходным напряжением нарастание напряжения блока 14. Достижение порога переключения компаратора 16 при этом происходит за время, не превышающее 0,5 с.

При перегрузках машины блок 14 не подвержен ни замедлению путем включения его транзисторного ключа, ни ускорению напряжением блока 3. В этом случае время изgp менения его напряжения до уровня срабатывания максимально приближено к характеристике перегрузочной способности защищаемой машины, обеспечивая допустимый тепловой режим двигателя без повреждения изоляции его обмоток, а также максимальное использование электроприводом перегрузочных свойств двигателя.

Положительный эффект, обеспечиваемый новой совокупностью признаков, состоит в повышении чувствительности устройства к свободной периодической составляющей

4О пускового тока асинхронного электродвигателя, а ссютветственно, селективности его защиты. Это обеспечивается выделением свободной низкочастотной составляющей тока статора машины не из пускового тока, 4> имеющего высокую кратность принужденного тока частотой 50 Гц, — источник большого небаланса, а из разности сглаженных напряжений, пропорциональных амплитудам полуволн тока статора различных знаков с вычитанием из каждой полуволны задангр ной величины (75 — 85Я от уровня пускового тока) и, кроме того, — исключением апериодического небаланса путем выделения и компенсации а периодической составляющей в свободном переходном токе. Повышение чувствительности устройства и субгармо66 нической составляющей тока электродвигателя повышает селективность его защиты, а именно исключает неселективные срабатывания при использовании устройства для

1661898 защиты двигателей существенно различной мощности, а следовательно, с различными уровнями свободного периодического тока, когда в известном устройстве за счет нечувствительности возможны ускоренные срабатывания в условиях пуска машины.

Кроме того, устройство имеет повышенную надежность функционирования, обеспечиваемую совмещением функций компаратора и ключа с самоудержанием одним операционным усилителем, имеющим свойства компаратора и триггера. Формула изобретения

Устройство для токовой защиты асинхронного электродвигателя, содержащее трансформатор тока, первичная обмотка которого предназначена для включения в одну из фаз питающей сети, вторичная его обмотка через преобразователь ток — напряжение соединена с входами двух однополупериодных выпря мителей положительной и отрицательной полуволн тока со сглаживающими конденсаторами и разрядными резисторами, выходы которых подключены к соответствующим входам элемента задержки, многоконтурного RC-аналога теплового состояния электродвигателя и формирователя напряжения, пропорционального производной принужденного тока асинхронного электродвигателя, выход которого соединен с входом компаратора, другие входы которого соединены с соответствующими выходами многоконтурного RC-аналога теплового состояния электродвигателя, выход компаратора соединен с входом исполнительного органа, выход элемента задержки соединен с управляющим входом ключа, выход которого соединен с входами триггера-компаратора и органа компенсации апериодического тока, другой вход которого соединен с выходом инерционного звена, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности, селективности и надежности функционирования, в него дополнительно введены третий и четвертый однополупериодные выпрямители положительной и отрицательной полуволн тока, входы которых соединены с выходами вновь введенного ограничителя уровня сигнала, входом соединенного с выходом преобразователя ток †напряжен, выходы упомянутых выпрямителей подключены к соответствующим входам инерционного звена, а выходы триггера-компаратора и элемента задержки подключены к соответствующим входам многоконтурного RCаналога теплового состояния электродвигателя я.

166!898

,— с з

Составите Ib К щ>с (дн

Редактор Е. Паин Техред А. Кравчук Корректор A. (!брейся >

Заказ 2131 Тира>к 11 o (инснос

) ч>)р

ВНИ1!111! Г сс (яре(а(иного к<>митста ио изобретениям и с)>кр>ит>сяс> при ЕНТ (.(.(.Ð

113(Н35.. )сс)с кая, Ж 35, Ряуеискян >сс>с).,;1. 4 5

Прс иа>:;, (с сас нно-из(язс.(ьскии кс)с)б>с>ип «11ятснт», i У л) t)ð .i...>. I яс арии>, I(>I