СПОСОБ ЗАЩИТЫ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ОТ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК H02H3/38 H02H7/00 

Область техники

Изобретения относятся к области электротехники и могут быть использованы при защите трансформаторов и асинхронных электродвигателей от перегрузки, недогрузки; обрыве питающего проводника сети как на стороне источника, так и на стороне потребителя; замыканиях в цепях питания и других аварийных режимах работы в однофазных, двухфазных, трехфазных и многофазных сетях переменного тока.

Предшествующий уровень техники

Известен способ защиты трехфазных потребителей от аварийных режимов, основанный на измерении токов и их разностей в различных фазах питающего напряжения с последующим сравнением разностей токов двух фаз с током в оставшейся фазе и формированием выходного сигнала отключения при повышении любой из полученных разностей порогового значения [SU № 1314411, Н 02 Н 3/26, 1987].

Недостаток этого способа защиты заключается в сравнительно невысокой точности, связанной с погрешностью измерительных преобразователей фазных токов и погрешностью реализации вычислительных операций. Кроме того, в данном случае необходимо устанавливать пороги срабатывания индивидуально для каждого типа двигателя.

Известен способ защиты электродвигателя от перегрузки, основанный на измерении токов и напряжений в электродвигателе в момент пуска, вычислении по результатам измерений и паспортным данным электродвигателя номинального значения тока нагрузки I_Н и сравнении его с измеренным реальным током нагрузки I_Р в установившемся режиме; в том случае, когда отношение I_р/I_Н становится больше единицы, электродвигатель отключается от сети [RU № 2027272, Н 02 Н 7/08, 1995].

Недостаток способа также заключается в невысокой точности, связанной с погрешностью измерительных преобразователей тока и напряжения, а также погрешностью вычислительных операций.

Известен способ защиты асинхронных двигателей от повреждений и аномальных режимов работы, основанный на измерении токов и напряжений на входах электродвигателя и определении активной мощности на входе и выходе защищаемого электродвигателя, причем последняя определяется по крутящему моменту на валу и угловой скорости ротора. По результатам измерения и рабочей характеристике электродвигателя вычисляют потери активной мощности в электродвигателе и формируют сигнал защиты, если указанные потери превышают на заданную величину потери активной мощности в нормальном режиме работы [SU № 1594642, Н 02 Н 7/08, 1990].

Недостаток способа заключается в сложности реализации и сравнительно невысокой точности, обусловленной погрешностью измерительных преобразователей тока и напряжения, погрешностью вычислительных операций, а также погрешностью определения активных потерь по рабочим характеристикам.

Наиболее близким по технической сути является устройство защиты потребителей электроэнергии сети переменного тока, реализующее способ, при котором одним из критериев включения защиты является перекос фаз, контроль за которым осуществляется датчиком контроля, выполненным в виде датчика тока - фильтра обратной последовательности [RU № 2115986, Н 02 Н 7/08, 1998].

Недостатки данного устройства и соответственно способа его функционирования те же, что и у предыдущего технического решения.

Сущность изобретения

Задачей изобретения является создание устройства и способа защиты нагрузки (потребителя) от аварийных режимов работы путем измерения сдвига фаз между любыми фазными токами и/или напряжениями, исключение влияния погрешностей измерительных преобразователей тока и напряжения, повышение точности измерений параметров нагрузки и питающей сети при аварийных режимах работы, исключение ложных срабатываний и увеличение быстродействия, а также упрощение реализации.

Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемом способе защиты потребителей энергии сети переменного тока от аварийных режимов работы, при котором измеряют параметры токов и напряжений, характеризующие режим работы потребителя, определяют по функциональным зависимостям показатель текущей нагрузки, сравнивают значение этого показателя с допустимым значением показателя нагрузки и отключают потребителя от сети при отклонении показателя нагрузки от установленных значений, согласно изобретению, показателем нагрузки является сдвиг фаз между фазными напряжениями и потребляемыми токами. Упомянутый сдвиг фаз может быть измерен как во временной области, так и в частотной. Преобразование из одних единиц измерения в другие может быть выполнено посредством операций, очевидных для специалистов в данной области техники. Вследствие того, что измерение времени, соответствующее сдвигу фаз, может быть выполнено с намного более высокой точностью, чем измерение токов или напряжений с учетом необходимости обеспечения линейности их преобразования, в настоящем изобретении достигается значительное повышение точности измерений.

В предлагаемом изобретении определяют относительные текущие значения сдвига фаз между фазными напряжениями сети и потребляемыми токами, сравнивают эти значения с заранее установленным диапазоном допустимых значений сдвига фаз и отключают потребителя (нагрузку) от сети, если любой из установленных относительных сдвигов выходит за пределы диапазона допустимых значений. Под «относительным» сдвигом фаз понимается сдвиг фаз относительно произвольно определяемых (выбираемых) моментов времени, циклически повторяющихся с частотой питающей сети. Упомянутые сдвиги фаз устанавливаются, контролируются и измеряются.

Согласно изобретению измеряют фазовые сдвиги между любыми фазами напряжения и фазами токов в любой их комбинации или контролируют межфазные напряжения и токи и используют измеренные значения для работы устройства защиты.

Поставленная задача достигается также тем, что устройство защиты потребителей энергии сети переменного тока от аварийных режимов работы содержит датчики тока и напряжения, реагирующие на токи и напряжения в проводниках фаз, подключенных к нагрузке, и узел отключения, включенный между фазами сети переменного тока и упомянутыми датчиками тока и напряжения. Кроме того, согласно изобретению, введен блок контроля сдвига фаз, к которому подключены датчики тока и напряжения фаз сети переменного тока.

В одном из вариантов осуществления устройство защиты может быть снабжено устройством ввода-вывода, подсоединенным к блоку контроля сдвига фаз, причем выход упомянутого блока контроля соединен с управляющим входом узла отключения. Между блоком контроля сдвига фаз и узлом отключения может быть включен элемент формирования сигнала отключения, который конструктивно входит в состав или блока контроля сдвига фаз, или узла отключения.

Краткое описание чертежей

Сущность изобретений поясняется чертежами, на которых:

на фиг.1 показана схема подключения устройства, реализующего предлагаемый способ, к трехфазной сети с контролем тока в каждом питающем проводнике;

на фиг.2 показана схема подключения устройства, реализующего предлагаемый способ, к трехфазной сети с контролем межфазных токов;

на фиг.3 приведен вариант выполнения блока контроля сдвига фаз для однофазной сети;

на фиг.4 приведена схема включения блока контроля сдвига фаз в однофазную сеть переменного тока.

Подробное описание изобретения

Предлагаемое устройство защиты предназначено для защиты потребителей энергии от аварийных режимов работы - перегрузки, недогрузки; обрыва питающего проводника сети как на стороне источника, так и на стороне потребителя; замыканий в цепях питания и других нарушений режима работы в однофазных, двухфазных, трехфазных и многофазных симметричных сетях переменного тока.

В минимально возможной конфигурации предлагаемое устройство содержит:

датчики тока и напряжения, подключаемые к проводникам фаз в цепи потребителя, блок контроля сдвига фаз, к которому подсоединяются упомянутые датчики, а также узел отключения, непосредственно выполняющий отключение потребителя от сети питания и реагирующий на управляющий сигнал от блока контроля сдвига фаз.

Датчики тока и напряжения могут быть подключены к проводникам фаз параллельно, последовательно или иным способом, а также могут работать с использованием любого принципа действия. Общим требованием является возможность их реагирования на токи и напряжения в проводниках фаз как со стороны потребителя, так и со стороны источника питания.

Блок контроля сдвига фаз в наиболее предпочтительном варианте осуществления может быть реализован на основе микропроцессора, но согласно настоящему изобретению возможна его реализация на основе других элементов. Предполагается, что в случае реализации блока контроля сдвига фаз на микропроцессоре имеется также запоминающее устройство, в котором хранится программа для управления упомянутым микропроцессором, а также необходимые данные для его работы. Необязательно к блоку контроля сдвига фаз может подсоединяться устройство ввода/вывода для ввода в ЗУ микропроцессора необходимых данных.

Для фиксации моментов времени, причин отключения и других параметров блок контроля сдвига фаз снабжается устройством регистрации, которое может быть выполнено, например, в виде печатающего устройства.

В одном из вариантов осуществления к проводникам фаз между узлом отключения и источником энергии могут быть включены дополнительные датчики, контролирующие параметры сети питания (например, токи и напряжения). Эти датчики служат для выполнения сервисных функций, описанных ниже.

Важным преимуществом изобретения является то, что могут быть выполнены измерения сдвига фаз между током и напряжением любых проводников фаз в любой их комбинации, например между током одной фазы и током другой, током и напряжением одной фазы, током одной фазы и напряжением в другой, напряжениями различных фаз, токов нескольких фаз относительно тока в другой и т.п.

В конкретном варианте осуществления (см. фиг.1) между узлом отключения 10 и потребителем энергии включены датчики 1, 2, 3 тока, которые могут быть выполнены как в виде трансформаторов тока, так и на основе других чувствительных элементов; датчики 4, 5, 6 напряжений, которые могут быть выполнены как в виде резистивных делителей напряжения, так и других чувствительных элементов; блок 7 контроля сдвига фаз, который наиболее просто может быть реализован на основе микроконтроллера; устройство 8 ввода/вывода контролируемых значений, которое может быть выполнено в виде автономного пульта, элемент 9 формирования сигнала отключения (промежуточное реле), который может быть выполнен на полупроводниковых приборах, например на оптосимисторе. Питание устройства может обеспечиваться от сети питания потребителя.

Блок контроля сдвига фаз (фиг.3) в варианте осуществления для однофазной (двухфазной) сети содержит преобразователи переменного напряжения и тока, соответственно обозначенные 11 и 12, в импульсные сигналы, счетчик-таймер 13, генератор 14 с ФАПЧ (фазовой автоподстройкой частоты), цифровой компаратор 15, регистр 16 значений предельных отклонений. Блок ФАПЧ является необязательным блоком, в одном из вариантов осуществления он используется для устранения погрешности подсчета, связанной с изменением частоты входного питающего напряжения.

В счетчике-таймере подсчитывается величина текущего фазового сдвига, которая затем с помощью цифрового компаратора сравнивается с установленными в регистре 16 значениями предельных отклонений, и на основании сравнения вырабатывается или не вырабатывается сигнал отключения. Счетчик-таймер является примером устройства для измерения величины фазового сдвига.

Устройство защиты для однофазной сети включается по схеме, изображенной на фиг. 4, где: нагрузка - 19, блок контроля сдвига фаз - 20, элемент задержки (если необходим) - 21, узел отключения - 22, датчик тока - 23, датчик напряжения - 24. Элемент задержки является необязательным, но желательным, и применяется для защиты от кратковременных нарушений параметров сети и работы нагрузки, что уменьшает количество ложных срабатываний устройства защиты.

Блок контроля сдвига фаз для многофазной сети выполняется путем введения дополнительных датчиков тока и напряжения для измерения соответствующих параметров в проводниках фаз.

Сущность способа согласно одному из вариантов осуществления заключается в следующем.

По моментам времени изменения направления токов в питающих потребителя проводниках и по моментам изменения полярности напряжений определяются временные сдвиги относительно произвольно выбранного за начало отсчета времени момента изменения полярности напряжения или тока. Соответствующие временные сдвиги сравниваются между собой и с установленными соответствующими предельными значениями отклонений. При выходе хотя бы одного из контролируемых относительных временных сдвигов за заранее установленные предельные значения формируется адекватный сигнал отключения потребителя от сети.

В варианте осуществления для многофазной сети (фиг.1) при отключенном потребителе устройство защиты контролирует качество сети, измеряя посредством датчиков 4, 5, 6 тока и напряжения, включенных между источником энергии и узлом отключения и выполняющих сервисную функцию, частоту сети и/или чередование напряжения и тока в сети, запрещая подключение потребителя при выходе контролируемых параметров за диапазон заранее установленных допустимых значений. В соответствии с сигналами, подаваемыми на блок контроля сдвига фаз от упомянутых сервисных датчиков, блок контроля сдвига фаз не допускает подключение потребителя (нагрузки) в течение некоторого заранее заданного (адаптивного) времени.

После того, как подключение потребителя (нагрузки) разрешено, контролируется время выхода на рабочий режим работы по изменению сдвига фаз между током и напряжением в процессе выхода на рабочий режим.

Таким образом, в случае, если сдвиг фаз между током и напряжением в любом из контролируемых проводников не изменяется и находится за пределами заранее установленного допустимых значений или его изменение происходит не в диапазоне допустимых значений в течение времени, которое превышает установленное минимальное время, происходит отключение потребителя (нагрузки) от сети с последующей блокировкой повторного включения на адаптивное время, с фиксацией времени и причины отключения. Очевидно, что упомянутые параметры - минимальное время, граничные значения диапазона допустимых значений, адаптивное время и возможно некоторые другие должны быть записаны в ЗУ блока контроля сдвига фаз или введены с устройства ввода/вывода.

При нормальном режиме работы потребителя производится контроль параметров сети и контроль сдвига фаз между током и напряжением коэффициентом мощности (cos ϕ) в каждом из контролируемых проводников фаз. При выходе любого из контролируемых параметров за установленные пределы допустимых значений происходит отключение потребителя узлом 10 отключения с последующей блокировкой на адаптивное время повторного включения потребителя, с возможной фиксацией времени и причины отключения.

Для многофазной сети электрические процессы, происходящие в одной фазе, являются однозначными функциями других. Например, электрические процессы, происходящие в третьей фазе трехфазной сети, являются однозначными функциями первых двух, поэтому для надежной защиты трехфазного асинхронного электродвигателя достаточно контролировать две фазы из трех. Для этой цели устройство может быть подключено так, как показано на фиг. 2, при этом датчик 3 тока совместно с блоком 7 контроля сдвига фаз может дополнительно выполнять функцию известного устройства защитного отключения (УЗО). При возникновении несимметричной утечки тока на стороне нагрузки с датчика 3 тока поступит сигнал на блок 7 контроля сдвига фаз для отключения нагрузки.

Временные интервалы удобно задавать посредством относительных угловых единиц, например угла ϕ сдвига или cos ϕ; при этом значение сдвига фаз ϕ можно выбирать по различным критериям. Например, ϕ_max можно выбрать соответствующим номинальной нагрузке электродвигателя, где cos ϕ_н - паспортное значение коэффициента мощности электродвигателя.

При отсутствии перегрузки сдвиг фаз ϕ между фазными токами и напряжениями больше значения ϕ_мах, поэтому на выходах блоков контроля присутствуют сигналы управления, соответствующие нормальной работе электродвигателя.

При превышении на валу электродвигателя номинального значения нагрузки выполняется условие ϕ < ϕ_мах, поэтому на выходе блока контроля сигнал управления соответствует сигналу отключения.

Если дополнительно установлен нижний предел нагрузки двигателя, то при нагрузке больше минимальной ϕ < ϕ_min на выходе блока 7 контроля сдвига фаз присутствуют сигналы управления, соответствующие нормальной работе электродвигателя.

При сбросе нагрузки (холостой ход) выполняется условие ϕ > ϕ_min, поэтому на выходе блока контроля сигнал управления соответствует сигналу отключения.

Поскольку в блоке контроля фаз контролируется только сдвиг фаз между сигналами, практически не принципиальны ни значение коэффициентов преобразования фазного тока и напряжения, ни их стабильность.

Это обстоятельство существенно упрощает реализацию датчиков тока и напряжения, поскольку к ним не предъявляется строгих требований по точности и линейности преобразования.

Типовые значения номинального коэффициента нагрузки асинхронных электродвигателей находятся в пределах cos ϕ_н = 0,6 ... 0,95, что соответствует сдвигу фаз 53°... 18°. При частоте питающей сети 50 Гц это соответствует временному интервалу Δt ˜ 1 ... 3,3 мс. В одном из вариантов осуществления этот диапазон может быть принят в качестве диапазона допустимых значений. Как уже упоминалось, временные интервалы могут быть измерены с очень высокой степенью точности, следовательно, погрешность сравнения может быть достаточно малой, а надежность срабатывания устройства защиты - высокой.

Элемент 9, формирующий сигнал отключения, обеспечивает развязку цепей блока 7 контроля сдвига фаз и узла 10 отключения.

Устройство защиты потребителей энергии сети переменного тока от аварийных режимов работы согласно настоящему изобретению также может быть использовано в других устройствах, например устройствах «плавного пуска», в качестве блока, непосредственно обеспечивающего защиту цепей питания потребителя.

Таким образом, основным интегральным критерием отключения для защиты нагрузки, например асинхронного электродвигателя (трансформатора), является сравнение фазовых сдвигов между токами и напряжениями в питающих проводниках с установленными на основании паспортных значений cos ϕ_н предельными отклонениями.

Дополнительными критериями могут быть:

• Чередование фазных напряжений;

• Сдвиг между фазами напряжений питающих проводников;

• Сдвиг между фазами протекающих токов в проводниках.

Предложенные технические решения позволяют осуществлять: быстрое распознавание аварийной ситуации в течение периода текущей частоты; обеспечение независимости от частоты питающей сети (50 Гц или иной частоты) и формы (синусоидальная, треугольная, прямоугольная) и высокой точности измерения коэффициента мощности, т.к. по сути измеряются временные интервалы, что гарантирует защиту от ложных срабатываний. Устройство может быть использовано в широчайшем диапазоне мощностей нагрузки.

Использование: при защите трансформаторов и асинхронных электродвигателей от аварийных режимов работы в однофазных, двухфазных, трехфазных и многофазных сетях переменного тока. Технический результат - упрощение реализации, повышение точности и увеличение быстродействия. Определяются сдвиги фаз между напряжением и током либо относительно произвольно выбранного за начало отсчета времени момента либо между фазными напряжениями и токами в любой их комбинации. Соответствующие сдвиги фаз сравниваются с установленными соответствующими предельными значениями отклонений. При выходе хотя бы одного из контролируемых относительных сдвигов фаз за установленные предельные значения формируется сигнал отключения потребителя от сети. 3 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ защиты потребителя энергии сети переменного тока от аварийных режимов работы, заключающийся в том, что определяют текущие значения относительного временного сдвига фаз между питающими потребителя фазными напряжениями и потребляемыми от сети токами в любой их комбинации, сравнивают эти текущие значения с допустимыми значениями сдвига фаз и отключают потребителя от сети, если какой-либо из определенных текущих относительных временных сдвигов фаз выходит за пределы заранее установленного диапазона допустимых значений сдвига фаз.2. Способ защиты потребителя энергии сети переменного тока от аварийных режимов работы, заключающийся в том, что определяют текущие значения любого, по меньшей мере одного, относительного временного сдвига фаз питающих потребителя фазных напряжений и потребляемых от сети токов относительно произвольного момента времени, выбранного за начало отсчета, сравнивают эти текущие значения с допустимыми значениями сдвига фаз и отключают потребителя от сети, если какой-либо из этих определенных текущих относительных временных сдвигов фаз выходит за пределы заранее установленного диапазона допустимых значений.3. Устройство защиты потребителя энергии сети переменного тока от аварийных режимов работы, содержащее датчики тока и напряжения, реагирующие на ток и напряжение в проводниках фаз, подключенных к потребителю, и узел отключения, подсоединенный между фазами сети переменного тока и упомянутыми датчиками, отличающееся тем, что содержит блок контроля сдвига фаз для контроля текущего относительного переменного сдвига фаз между питающими потребителя фазными напряжениями и потребителями от сети токами в любой их комбинации, причем упомянутый блок контроля сдвига фаз выполнен с возможностью выдачи сигнала отключения потребителя от сети переменного тока на управляющий вход узла отключения в случае, если упомянутый временной сдвиг фаз выходит за пределы диапазона допустимых значений сдвига фаз.4. Устройство по п.3, дополнительно содержащее устройство ввода/вывода, подключенное к блоку контроля сдвига фаз, для ввода значений установленного допустимого диапазона сдвига фаз.