УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ВКЛЮЧЕНИЯ РЕЗЕРВНОГО ПИТАНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ С ДВИГАТЕЛЬНОЙ НАГРУЗКОЙ Российский патент 1994 года по МПК H02J9/06 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам автоматического включения резервного питания (АВР) потребителей с синхронными двигателями.

Известны устройства для АВР, выполненные на основе реле частоты. Эти устройства имеют ограниченное быстродействие, так как частота напряжения на секции шин, потерявшей питание, при выбеге синхронных двигателей изменяется сравнительно медленно. Поэтому такие устройства действуют не только на отключение выключателя ввода, но и на отключение соответствующих выключателей двигателей, которые по тем или иным причинам не участвуют в самозапуске, и на гашение поля синхронных двигателей, подлежащих самозапуску. Указанное приводит к нарушению технологического процесса и к значительному ущербу у потребителей.

Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип является устройство для автоматического включения резервного питания потребителей с двигательной нагрузкой, содержащее измерительные трансформаторы напряжения первой и второй секций шин питания, первый и второй фазосдвигающие элементы, обеспечивающие сдвиг вектора входного напряжения в сторону опережения, входы которых подключены к выходам измерительных трансформаторов напряжения первой и второй секции шин соответственно первый, второй, третий и четвертый формирователи, выполненные в виде усилителей-ограничителей, подключенные входами первого и третьего формирователей к выходам измерительных трансформаторов напряжения первой и второй секций шин соответственно, а входами второго и четвертого формирователей - к выходам первого и второго фазосдвигающих элементов, первый и второй трехвходовые пороговые фазочувствительные блоки, подключенные входами первого фазочувствительного блока к выходам первого, третьего и четвертого формирователей, а входами второго фазочувствительного блока - к выходам первого, второго и третьего формирователей, элемент ИЛИ-НЕ, входы которого подключены к выходам пороговых фазочувствительных блоков, расширитель импульсов, первый и второй RS-триггеры, каждый с одним входом установки и двумя входами сброса, подключенные входами установки к выходам первого и второго пороговых фазочувствительных блоков соответственно, первыми объединенными входами сброса через расширитель импульсов к выходу элемента ИЛИ-НЕ, а вторыми входами сброса - к выходам соседних триггеров, первый и второй исполнительные блоки отключения вводных выключателей первой и второй секций шин, подключенные входами к выходам первого и второго RS-триггеров соответственно, третий исполнительный блок включения секционного выключателя резервного питания.

Это устройство может обеспечивать быстродействующие АВР для двух секций шин с двигательной нагрузкой.

Однако при значительном относительном скольжении между векторами напряжений рабочего и резервного источников питания (в режиме выбега синхронных двигателей), а также в случае замедленного включения секционного выключателя (например, из-за его ограниченного быстродействия или примерзания привода) возможно противофазное включение синхронных двигателей на резервное питание. Так как при этом могут протекать большие пусковые токи, то под действием релейной защиты возможно ложное отключение резервного ввода и полное обесточивание обеих секций шин. Кроме того, режим противофазного включения возбужденных двигателей опасен для самых синхронных двигателей, так как может вызвать их разрушение.

Сущность изобретения заключается в том, что при дополнительном введении первого и второго элементов И, первого и второго элементов ИЛИ и блока запрета, соединенных определенным образом, исключается противофазное включение синхронных двигателей на резервный источник питания при высоком быстродействии устройства.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства; на фиг. 2 - характеристики срабатывания при потере питания первой (а) и второй (б) секций шин.

Устройство содержит измерительные трансформаторы 1, 2 напряжения первой и второй секций шин питания, первый и второй фазосдвигающие элементы 3, 4, обеспечивающие сдвиг вектора входного напряжения в сторону опережения на заданный угол (например, 70^о), первый, второй, третий и четвертый формирователи 5-8, выполненные, например, в виде усилителей-ограничителей, первый и второй трехвходовые пороговые фазочувствительные блоки 9, 10, срабатывающие при расхождении входных величин на заданный угол (например, 90^о), элемент ИЛИ-НЕ 11, расширитель 12 импульсов, первый и второй RS-триггеры 13, 14, каждый с одним входом установки и двумя входами сброса, выполненные, например, из двухвходового и трехвходового элементов ИЛИ-НЕ, первый и второй элементы И 15, 17, первый и второй элементы ИЛИ 16, 18, блок 19 запрета, первый и второй исполнительные блоки 20, 22 отключения вводных выключателей первой и второй секций шин, третий исполнительный блок 21 включения секционного выключателя резервного питания, одноименные напряжения , первой и второй секций шин питания, усиленные и ограниченные по амплитуде напряжения , , пропорциональные напряжениям и соответственно, усиленные и ограниченные по амплитуде напряжения , , сдвинутые по фазе в сторону опережения относительно напряжений и соответственно на заданный угол (например, на 70^о), сигнал δ₁(высокого уровня), появляющийся на выходе блока 9, если вектор напряжения () отстает по фазе относительно вектора () на заданный угол (например, более 20^о), сигнал δ₂ (высокого уровня), появляющийся на выходе блока 10, если вектор напряжения () отстает по фазе относительно вектора () на заданный угол (например, более 20^о).

Измерительные трансформаторы 1 и 2 напряжения подключены к одноименным напряжением первой и второй секции шин питания, первый 3 и второй 4 фазосдвигающие элементы подключены к выходам измерительных трансформаторов напряжения первой 1 и второй 2 секций шин соответственно. Входы первого 5 и третьего 7 формирователей подключены к выходам измерительных трансформаторов напряжения первой 1 и второй 2 секций шин соответственно, входы второго 6 и четвертого 8 формирователей подключены к выходам первого 3 и второго 4 фазосдвигающих элементов. Первый 9 и второй 10 трехвходовые пороговые фазочувствительные блоки подключены входами первого фазочувствительного блока 9 к выходам первого 5, третьего 7 и четвертого 8 формирователей, а входами второго фазочувствительного блока 10 - к выходам первого 5, второго 6 и третьего 7 формирователей. Входы элемента ИЛИ-НЕ 11 подключены к выходам фазочувствительных блоков 9 и 10, первый 13 и второй 14 RS-триггеры, каждый с одним входом установки и двумя входами сброса, подключены входами установки к выходам первого 9 и второго 10 фазочувствительных блоков соответственно, первыми объединенными входами сброса - через расширитель 12 импульсов к выходу элемента ИЛИ-НЕ 11, а вторыми входами сброса - к выходам соседних 14 и 13 триггеров. Первый 20 и второй 22 исполнительные блоки отключения вводных выключателей первой и второй секций шин подключены к выходам первого 13 и второго 14 RS-триггеров соответственно, входы первого элемента И 15 подключены к выходам первого RS-триггера 13 и второго фазочувствительного блока 10. Входы второго элемента И 17 подключены к выходам второго RS-триггера 14 и первого фазочувствительного блока 9, входы первого элемента ИЛИ 16 подключены к выходам первого 13 и второго 14 RS-триггеров, входы второго элемента ИЛИ 18 подключены к выходам первого 15 и второго 17 элементов И, входы блока запрета 19 подключены к выходам первого 16 и второго 18 элементов ИЛИ, а выход блока 19 запрета подключен к входу третьего исполнительного блока 21 включения секционного выключателя резервного питания.

В нормальном режиме на входе устройства присутствуют номинальные напряжения и промышленной частоты, которые могут расходиться на небольшой угол (не превышающий обычно 5^о).

При этом блоки 9-22 находятся в несработанном состоянии. На фиг. 2 приведены характеристики срабатывания, ограниченные прямыми 1 и 2 с областями срабатывания I и II для блоков 9 и 10 соответственно. При этом в области III нет срабатывания ни одного из блоков 9 или 10. Блок 9 сравнивает по фазе напряжения , и и срабатывает, если угол расхождения этих величин ϕ₁ становится больше заданного (например, больше 90^о). Блок 10 сравнивает по фазе напряжения , и и срабатывает, если угол расхождения этих величин ϕ₂ становится больше заданного (например, больше 90^о).

При потере питания первой секции шин (см. фиг. 2а) синхронные двигатели, подключенные к этой секции, переходят в генераторный режим, частота генерируемого напряжения уменьшается, а вектор начинает отставать по фазе от вектора . При этом векторы и начинают отставать по фазе от векторов и на текущее значение угла δ . При угле δ= δ_1ср≥ 20^о угол между векторами , и ϕ₁= ϕ_1ср≥90^o и срабатывает блок 9 (на выходе его появляется рабочий сигнал δ₁(высокого уровня). При этом на вход установки триггера 13, а также на его первый вход сброса поступают разрешающие сигналы. Так как на его втором входе сброса также имеется разрешающий сигнал (из-за несработанного состояния блока 14), то триггер 13 срабатывает (на его выходе появляется сигнал высокого уровня) и обеспечивает дополнительное блокирование триггера 14 по его второму входу сброса. При этом через исполнительный блок 15 обеспечивается отключение первого ввода выключателем В₁, а через блоки 16, 19 и 21 обеспечивается включение резервного питания выключателем В3 в режиме быстродействующего АВР. При этом возможно одновременное АВР (по приведенной параллельной схеме) или же последовательное АВР (с дополнительным контролем от блок-контактов "Отключено" выключателя В₁). Если эквивалентная постоянная времени синхронных двигателей, подключенных к первой секции шин при их выбеге достаточно велика, а время отключения выключателя В1 и включения выключателя В₃ достаточно мало (например, при использовании вакуумных, элегазовых или тиристорных выключателей), напряжение на первой секции шин быстро восстанавливается подключением резервного питания от второй секции шин, а синхронные двигатели, подключенные к первой секции шин не теряют своей устойчивости. При этом из-за возврата в исходное состояние блока 9 схема устройства также возвращается в исходное состояние. Если же эквивалентная постоянная времени синхронных двигателей, подключенных к первой секции шин, при их выбеге достаточно мала, а время отключения выключателя В₁ и включения выключателя В₃ достаточно велико (например, из-за его ограниченного быстродействия или примерзания привода), то напряжение на первой секции шин успевает разойтись по фазе относительно напряжения на второй секции шин на опасный угол, превышающий угол срабатывания δ= δ_2ср≥90^o . При этом векторы и также начинают отставать по фазе от векторов и на угол, превышающий этот угол срабатывания. При этом угол между векторами , и ϕ₂= ϕ_2ср≥90 ^oи срабатывает блок 10 (на выходе его появляется рабочий сигнал δ₂ высокого уровня). При этом состояние триггера 14 не изменяется, т. к. он блокируется по второму входу сброса сигналом от ранее сработавшего триггера 13, а на обоих входах первого элемента И 15 появляются рабочие сигналы. При этом сигналом с выхода элемента И 15 через элемент ИЛИ 18 обеспечивается запрет работы блока 19 и при дальнейшем выбеге синхронных двигателей сигнал на включение секционного выключателя В₃ прекращается, чем исключается возможность их противофазного включения. Кроме того, сигналом с выхода первого элемента И 15 может обеспечиваться автоматическое развозбуждение синхронных двигателей, подключенных к первой секции шин. Если при дальнейшем выбеге синхронных двигателей угол δ становится δ= δ_1в≥270^o , то угол между векторами , и по модулю становится ϕ₁= ϕ_1в≅90^o и возвращается в исходное состояние блок 9. При этом состояние триггеров 13 и 14 не изменяется, так как под действием сигнала с выхода блока 10 на вход блока 11 сигнал сброса триггеров на выходе блока 12 пока не возникает. Если при дальнейшем выбеге синхронных двигателей угол δ становится δ= δ_2В≥340^o , то угол между векторами , и по модулю становится ϕ₂= ϕ_2В≅90^o и возвращается в исходное состояние блок 10. При этом состояние триггеров 13 и 14 еще не изменяется, так как под действием расширителя импульсов 12 сигнал сброса триггеров пока не возникает. При этом прекращаются сигналы на выходах элементов 15, 18 и разрешается работа блока 19, благодаря чему с выхода триггера 13 через блоки 16, 19, 21 обеспечивается сигнал на синфазное АВР. Так как сигнал на выходе элемента И 15 прекращается, то разрешается автоматическая ресинхронизация синхронных двигателей, подключенных к первой секции шин. Выдержка времени на возврат расширителя 12 должна быть достаточной для включения резервного питания. После возврата в исходное состояние блока 12 на выходе его появляется блокирующий сигнал, который сбрасывает триггеры 13 и 14 в исходное состояние. Таким образом в течение уже первого цикла скольжения обеспечивается быстродействующее или синфазное АВР первой секции шин и исключается противофазное включение возбужденных синхронных двигателей при высоком быстродействии устройства.

При потере питания второй секции шин (см. фиг. 2б) синхронные двигатели, подключенные к этой секции, переходят в генераторный режим, частота генерируемого напряжения уменьшается, а вектор начинает отставать по фазе относительно . При этом векторы и начинают отставать по фазе от векторов и на текущее значение угла δ . При угле δ= δ_2ср≥20^o , угол между векторами , и ϕ₂= ϕ_2ср≥90^o и срабатывает блок 10. При этом на вход установки триггера 14, а также на его первый вход сброса поступают разрешающие сигналы. Так как на его втором входе сброса также имеется разрешающий сигнал (из-за несработанного состояния блока 13), то триггер 14 срабатывает и обеспечивает дополнительное блокирование триггера 13 по его второму входу сброса. При этом через исполнительный блок 22 обеспечивается отключение второго ввода выключателем В₂, а через блоки 16, 19 и 21 обеспечивается включение резервного питания выключателем В₃ в режиме быстродействующего АВР и возврат схемы в исходное состояние. Если эквивалентная постоянная времени синхронных двигателей, подключенных к второй секции, при их выбеге достаточно мала, а время отключения выключателя В₂ и включения выключателя В₃ достаточно велико (т. е. если быстродействующее АВР не возможно), то напряжение на второй секции шин может успеть разойтись по фазе относительно на опасный угол, превышающий δ= δ_1ср≥90^o . При этом угол между векторами , и ϕ₁= ϕ_1ср≥90^o и срабатывает блок 9. При этом состояние триггера 13 не изменяется, так как он блокируется по второму входу сброса сигналом от ранее сработавшего триггера 14, а на обоих входах второго элемента И 17 появляются рабочие сигналы. При этом сигналом с выхода элемента И 17 через элемент ИЛИ 18 обеспечивается запрет работы блока 19, чем исключается противофазное включение синхронных двигателей. Кроме того, сигналом с выхода второго элемента И 17 может обеспечиваться автоматическое развозбуждение синхронных двигателей, подключенных к второй секции шин. Если при дальнейшем выбеге угол δ становится δ= δ_2В≥270^o , то угол между векторами , и по модулю становится ϕ₂= ϕ_2В≅90^o и возвращается в исходное состояние блок 10. При этом состояние триггеров 13 и 14 не изменяется. Если при дальнейшем выбеге синхронных двигателей угол δ становится δ= δ_1В≥340^o , то угол между векторами , и по модулю становится ϕ₁= ϕ_1В≅90^o и возвращается в исходное состояние блок 10. При этом состояние триггеров 14 и 13 еще не изменяется, прекращаются сигналы на выходах элементов 17, 18 и разрешается работа блока 19, когда с выхода триггера 14 через блоки 16, 19, 21 обеспечивается сигнал на синфазное АВР. Так как сигнал на выходе элемента И 17 прекращается, то разрешается автоматическая ресинхронизация синхронных двигателей, подключенных к второй секции шин. После возврата в исходное состояние блока 12 триггеры 13 и 14 также устанавливаются в исходное состояние.

Таким образом, устройство обеспечивает быстродействующее или синфазное АВР двустороннего действия. Угол включения устройства в режиме быстродействующего АВР может составлять, например, 20^о. При этом обеспечивается запрет противофазного включения синхронных двигателей в диапазоне углов выбега от 90 до 340^о, а также разрешение синфазного включения при угле выбега, равном 340^о.

Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом имеет большие функциональные возможности, т. к. оно может дополнительно обеспечивать запрет противофазного включения синхронных двигателей при АВР при обеспечении их синфазного включения.

Изобретение позволяет повысить надежность электроснабжения синхронных электродвигателей ответственных механизмов, уменьшить пусковые токи при АВР и существенно уменьшить технологический ущерб у потребителей с двигательной нагрузкой. (56) М. А. Шабад. Релейная защита и автоматика на электроподстанциях, питающих синхронные двигатели. Библ. электромонтера вып. 565, Л. : Энергоатомиздат, 1984, с. 51.

Авторское свидетельство СССР N 1702483, кл. H 02 J 9/06, 1988.

Область использования: в устройствах автоматического включения резервного питания (АВР) потребителей с синхронными двигателями. Цель изобретения: обеспечивается быстродействующее или синфазное АВР двустороннего действия. Угол включения устройства в режиме быстродействующего АВР может составлять, например, 20. При этом обеспечивается запрет противофазного включения синхронных двигателей в диапазоне углов выбега 90 - 340, а также разрешение синфазного включения при угле выбега, равном 340. Это достигается введением двух элементов И, двух элементов ИЛИ и блока запрета. 2 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ВКЛЮЧЕНИЯ РЕЗЕРВНОГО ПИТАНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ С ДВИГАТЕЛЬНОЙ НАГРУЗКОЙ, содержащее измерительные трансформаторы напряжения первой и второй секций шин питания, первый и второй фазосдвигающие элементы, обеспечивающие сдвиг вектора входного напряжения в сторону опережения, входы которых подключены к выходам измерительных трансформаторов напряжения первой и второй секций шин соответственно, первый, второй, третий и четвертый формирователи, выполненные в виде усилителей-ограничителей, подключенные входами первого и третьего формирователей к выходам измерительных трансформаторов напряжения первой и второй секций шин соответственно, а входами второго и четвертого формирователей - к выходам первого и второго фазосдвигающих элементов, первый и второй трехвходовые пороговые фазочувствительные блоки, подключенные входами первого фазочувствительного блока к выходам первого, третьего и четвертого формирователей, а входами второго фазочувствительного блока - к выходам первого, второго и третьего формирователей, элемент ИЛИ-НЕ, входы которого подключены к выходам пороговых фазочувствительных блоков, расширитель импульсов, первый и второй RS-триггеры, каждый с одним входом установки и двумя входами сброса, подключенные входами установки к выходам первого и второго пороговых фазочувствительных блоков соответственно, первыми объединенными входами сброса - через расширитель импульсов к выходу элемента ИЛИ - НЕ, а вторыми входами сброса - к выходам соседних триггеров, первый и второй исполнительные блоки отключения вводных выключателей первой и второй секций шин, подключенные входами к выходам первого и второго RS-триггеров соответственно, третий исполнительный блок включения секционного выключателя резервного питания, отличающееся тем, что дополнительно содержит первый и второй элементы И, первый и второй элементы ИЛИ и блок запрета, причем входы первого элемента И подключены к выходам первого RS-триггера и второго фазочувствительного блока, входы второго элемента И подключены к выходам второго RS-триггера и первого фазочувствительного блока, входы первого элемента ИЛИ подключены к выходам первого и второго RS-триггеров, входы второго элемента ИЛИ подключены к выходам первого и второго элементов И, входы блока запрета подключены к выходам первого и второго элементов ИЛИ, а выход блока запрета подключен к входу третьего исполнительного блока включения секционного выключателя резервного питания.