СИСТЕМА ЗАЩИТЫ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА ОТ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМОЙ Российский патент 2016 года по МПК H02H7/00 

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано в магнитоэлектрических генераторах автономных объектов.

Известен способ управления системой защиты генератора от короткого замыкания и устройство для его реализации [патент РФ №2399137 С1, кл. Н02Н 7/06, 26.12.2008 г.], установленное в генераторе переменного тока для управления током возбуждения, создаваемым обмоткой возбуждения генератора переменного тока, содержащее: пусковой переключатель, электрически соединенный с обмоткой возбуждения и работающий так, что включение/выключение пускового переключателя соответствует пропусканию/отсечке тока возбуждения; датчик, имеющий узел токового входа и узел токового выхода, соответственно электрически соединенные с пусковым переключателем и потенциалом заземления, при этом датчик пропускает ток возбуждения, когда пусковой переключатель включен; цепь усиления, содержащая входной конец и выходной конец, при этом входной конец электрически присоединен к узлу токового входа датчика.

Основным недостатком такого способа являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные тем, что применение данного устройства невозможно в магнитоэлектрических генераторах.

Известно устройство для защиты генератора переменного тока от короткого замыкания в системе электроснабжения с резервированием [патент РФ №1017146, кл. Н02Н 7/06, 27.08.2004 г.], содержащее контактор для подключения генераторов к шинам, блок трансформаторов тока в цепи статорной обмотки генератора, блок трансформаторов тока в цепи нагрузки, полупроводниковые диоды по числу фаз генератора и исполнительный элемент, вход которого подключен к выходу однополупериодного выпрямителя, образованного диодами и встречно-включенными вторичными обмотками блоков трансформаторов тока, вторичные обмотки блоков трансформаторов тока шунтированные диодами, при этом по отношению к диодам выпрямителя диоды, шунтирующие обмотки блока трансформаторов тока в цепи статорной обмотки генератора, включены согласно, а диоды, шунтирующие обмотки блока трансформаторов тока в цепи нагрузки, - встречно.

Основным недостатком такого устройства являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные тем, что применение данного устройства невозможно в магнитоэлектрических генераторах.

Известна конструкция устройства защиты магнитоэлектрического генератора [патент США №4950973, кл. Н02Р 9/10, 21.08.1990 г.], содержащего генератор с постоянными магнитами первую, вторую и третью выходные клеммы, блок защит, содержащий первую, вторую и третью пару электрических контактов, и первую, вторую, третью обмотку статора. Первая обмотка статора электрически соединена между первой парой электрических контактов и нейтральной точкой; вторая обмотка статора электрически соединена между второй выходной клеммой и нейтральной точкой; третья обмотка статора электрически соединена между третьей парой электрических контактов и нейтральной точкой; третья обмотка статора содержит средства для открытия и закрытия первой и второй пары электрических контактов в ответ на сигнал управления.

Известна конструкция устройства защиты магнитоэлектрического генератора [патент США №7276871, кл. Н02Н 7/085, 02.10.2007 г.], содержащая генератор с постоянными магнитами, каждая фазная обмотка которого соединена с нейтральным проводом через двунаправленный транзистор, при кротком замыкании с системы управления подается сигнал на отключение фазной обмотки от нейтрального провода.

Недостатком этой конструкции является невозможность срабатывания защиты при межвитковых коротких замыканиях.

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому являются способ управления системой защиты и система защиты [патент США №7663849, кл. Н02Н 7/00, 16.02.2010 г.], содержащая привод, магнитоэлектрический генератор, каждая фаза которого соединена с нейтральным проводом через разъединитель, выполненный в виде двунаправленного транзистора, датчики тока, датчики напряжения, датчики температуры, при этом указанной системой наличие короткого замыкания определяют по абсолютной величине температуры, абсолютной величине тока и абсолютной величине напряжения, которые измеряют соответственно датчиком температуры, датчиком тока и датчиком напряжения, при этом результаты измерения передают в систему управления генератором, где по их величине судят о наличии короткого замыкания и передают сигнал на привод генератора для его останова.

Недостатками данной системы и способа ее управления являются ограниченные функциональные возможности и невысокое быстродействие системы, обусловленное использованием абсолютных величин, а также высокой постоянной времени датчика температуры, ввиду чего может произойти оплавление изоляции обмоток магнитоэлектрического генератора при коротком замыкании.

Задачи изобретения - расширение функциональных возможностей благодаря работоспособности защиты при межвитковых коротких замыканиях и повышение быстродействия защиты магнитоэлектрического генератора от короткого замыкания благодаря оперированию не абсолютными величинами температуры, а ее приращением во времени; снижение постоянной времени датчика температуры благодаря его непосредственной установки в пазу на каждой фазе обмотки генератора и минимизация повреждений генератора при коротком замыкании благодаря изготовлению его с такими индуктивными сопротивлениями, при которых ток короткого замыкания не превышает 2 номинальных токов при плотности тока КЗ в обмотках генератора не более 30 А/мм².

Техническим результатом является повышение эксплуатационного ресурса обмотки статора, повышение надежности и пожаробезопасности магнитоэлектрического генератора при его минимальных массогабаритных показателях.

Поставленная задача решается и указанный технический результат достигается тем, что в системе защиты магнитоэлектрического генератора от короткого замыкания, содержащей привод, соединенный с магнитоэлектрическим генератором, каждая фаза которого соединена с нейтральным проводом через разъединитель, датчики тока, датчики напряжения, датчики температуры, электрически связанные с блоком управления, согласно изобретению датчики температуры установлены непосредственно в пазу на каждой фазе обмотки магнитоэлектрического генератора, причем активные элементы датчиков температуры имеют непосредственное соприкосновение с изоляцией проводников обмотки магнитоэлектрического генератора, при этом разъединители фаз и нейтрального провода выполнены в виде терморезисторов с возможностью принудительного размыкания, причем магнитоэлектрический генератор выполнен с такими индуктивными сопротивлениями, при которых ток короткого замыкания не превышает двух номинальных токов при плотности тока короткого замыкания в обмотках магнитоэлектрического генератора не более 30 А/мм², при этом блок управления выполнен с возможностью выдачи сигналов на привод, разъединители фаз и нейтрального провода и нагрузку.

Поставленная задача решается и указанный технический результат также достигается тем, что в способе управления системой защиты магнитоэлектрического генератора от короткого замыкания, по которому наличие короткого замыкания определяют по величине температуры, величине тока и величине напряжения, согласно изобретению о наличии короткого замыкания судят по изменению действующих значений тока и напряжения, при повышении которых происходит отключение магнитоэлектрического генератора от нагрузки, после чего оценивают изменение температуры обмотки во времени и скорость изменения температуры, и если после отключения магнитоэлектрического генератора от нагрузки происходит повышение температуры обмотки при значительной скорости этого повышения, то сигнал передают посредством блока управления на остановку магнитоэлектрического генератора на привод и сигнал на отключение фазных обмоток от нейтрального провода, а если после отключения нагрузки температура снижается или возрастает при незначительной скорости, то короткое замыкание имеет место не в самом магнитоэлектрическом генераторе, а на нагрузке.

Существо изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена структурная схема системы защиты магнитоэлектрического генератора от короткого замыкания. На фиг. 2 изображено изменение температуры обмотки во времени при коротком замыкании на генераторе. На фиг. 3 изображено изменение температуры обмотки во времени при коротком замыкании на нагрузке.

Предложенное устройство содержит привод 1, соединенный с магнитоэлектрическим генератором 2, обмотку магнитоэлектрического генератора 3, состоящую из нейтрального провода 4 и фаз 5, при этом фазы, соединенные через разъединители 6, выполненные в виде терморезисторов с возможностью принудительного размыкания с нейтральный проводом 4, датчики температуры 7, установленные на каждой фазе 5, блок управления 8, датчики тока и напряжения 9, нагрузку 10.

Предложенное устройство работает следующим образом: привод 1 передает механическую энергию магнитоэлектрическому генератору 2, и по обмотке генератора 3, состоящей из нейтрального провода 4 и фаз 5, начинает протекать ток. При коротком замыкании в обмотках магнитоэлектрического генератора повышается температура, изменение которой оценивается датчиками температуры 7, установленными на каждой фазе 5, а также датчиками тока и напряжения 9 отслеживаются соответствующие величины, блоком управления 8 анализируется совокупность показаний датчиков температуры 7, тока и напряжения 9 и определяется наличие короткого замыкания. При выявлении короткого замыкания блоком управления 8 подается три сигнала: на остановку привода 1, на разъединение магнитоэлектрического генератора 2 и нагрузки 10 и на разъединение фаз 5 с нейтральным проводом 4 через терморезисторы с возможностью принудительного размыкания. В случае если разъединения фаз 5 с нейтральным проводом 4 не произошло, то происходит их автоматическое размыкание при достижении терморезисторами критической температуры. В случае возникновения межвитковых коротких замыканий происходит полный останов привода 1. Кроме того, так как ток магнитоэлектрического генератора 2 ограничен индуктивными сопротивлениями, то короткое замыкание не приводит к его значительным повреждениям.

Пример конкретной реализации способа

При работе магнитоэлектрического генератора, выполненного с постоянными магнитами Sm₂Co₁₇, мощностью 100 кВт, частотой вращения 24000 об/мин, с обмоткой, выполненной из провода ПНЭТимид (температурный индекс 240°C), причем каждая фаза обмотки соединена с нейтральным проводом через терморезисторы с возможностью принудительного размыкания (фиг. 1), возникает короткое замыкание и по датчикам тока определяется увеличение тока в два раза от номинального (с 300 А до 600 А), а по датчикам напряжения соответствующее данному току падение напряжения. При этом срабатывает устройство отключения магнитоэлектрического генератора от нагрузки. После чего датчиками температуры, установленными непосредственно в пазу, на каждой фазе обмотки измеряется изменение температуры обмотки генератора во времени, которая за 1 секунду повышается на всех трех фазах со значительной скоростью (с 222°C до 229°C), фиг. 2. Из чего делается вывод о наличии короткого замыкания внутри магнитоэлектрического генератора, и блоком управления формируется управляющий сигнал на остановку привода генератора, а также подается сигнал на терморезистор с возможностью принудительного размыкания на разъединение фаз в магнитоэлектрическом генераторе и нейтрального провода. Причем ввиду того, что магнитоэлектрический генератор спроектирован таким образом, что его индуктивные сопротивления не позволяют достигать тока короткого замыкания более двух номинальных токов при плотности тока короткого замыкания в обмотках генератора не более 30 А/мм², максимальная температура обмотки, при данном токе не превышает 250°C, а при данной температуре обмотки изоляция провода ПНЭТимид остается работоспособной до 10-15 минут. То есть изоляция магнитоэлектрического генератора после остановки привода остается цельной.

В том случае, если после отключения нагрузки датчиками температуры, установленными непосредственно в пазу на каждой фазе обмотки, измеряется изменение температуры обмотки генератора во времени, которая за 1 секунду повышается на всех трех фазах с 222°C до 224°C (фиг. 3), то по незначительной скорости повышения температуры судят о коротком замыкании в нагрузке.

Таким образом, достигается расширение функциональных возможностей и быстродействие защиты магнитоэлектрического генератора от короткого замыкания, снижение постоянной времени датчика температуры и минимизация повреждений генератора при коротком замыкании.

Итак, заявляемое изобретение позволяет повысить эксплуатационный ресурс обмотки статора, повысить надежность и пожаробезопаснось магнитоэлектрического генератора при его минимальных массогабаритных показателях.

Изобретение используется в области электротехники и электромашиностроения. Технический результат: повышение эксплуатационного ресурса обмотки статора, повышение надежности и пожаробезопасности магнитоэлектрического генератора при его минимальных массогабаритных показателях. Система защиты магнитоэлектрического генератора от короткого замыкания содержит привод, соединенный с магнитоэлектрическим генератором, каждая фаза которого соединена с нейтральным проводом через разъединитель, датчики тока, датчики напряжения и датчики температуры, электрически связанные с блоком управления, разъединители фаз и нейтрального провода и нагрузку. При этом датчики температуры установлены непосредственно в пазу на каждой фазе обмотки магнитоэлектрического генератора, а активные элементы датчиков температуры имеют непосредственное соприкосновение с изоляцией проводников обмотки магнитоэлектрического генератора. Разъединители фаз и нейтрального провода выполнены в виде терморезисторов с возможностью принудительного размыкания. Магнитоэлектрический генератор выполнен с такими индуктивными сопротивлениями, при которых ток короткого замыкания, не превышает двух номинальных токов при плотности тока короткого замыкания в обмотках магнитоэлектрического генератора не более 30 А/мм². Блок управления выполнен с возможностью выдачи сигналов на привод. Также заявлен способ управления системой защиты магнитоэлектрического генератора от короткого замыкания. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система защиты магнитоэлектрического генератора от короткого замыкания, содержащая привод, соединенный с магнитоэлектрическим генератором, каждая фаза которого соединена с нейтральным проводом через разъединитель, датчики тока, датчики напряжения, датчики температуры, электрически связанные с блоком управления, отличающаяся тем, что датчики температуры установлены непосредственно в пазу на каждой фазе обмотки магнитоэлектрического генератора, причем активные элементы датчиков температуры имеют непосредственное соприкосновение с изоляцией проводников обмотки магнитоэлектрического генератора, при этом разъединители фаз и нейтрального провода выполнены в виде терморезисторов с возможностью принудительного размыкания, причем магнитоэлектрический генератор выполнен с такими индуктивными сопротивлениями, при которых ток короткого замыкания не превышает двух номинальных токов при плотности тока короткого замыкания в обмотках магнитоэлектрического генератора не более 30 А/мм², при этом блок управления выполнен с возможностью выдачи сигналов на привод, разъединители фаз и нейтрального провода и нагрузку.

2. Способ управления системой защиты магнитоэлектрического генератора от короткого замыкания, по которому наличие короткого замыкания определяют по величине температуры, величине тока и величине напряжения, отличающийся тем, что о наличии короткого замыкания судят по изменению действующих значений тока и напряжения, при повышении которых происходит отключение магнитоэлектрического генератора от нагрузки, после чего оценивают изменение температуры обмотки во времени и скорость изменения температуры, и если после отключения магнитоэлектрического генератора от нагрузки происходит повышение температуры обмотки при значительной скорости этого повышения, то сигнал передают посредством блока управления на остановку магнитоэлектрического генератора на привод и сигнал на отключение фазных обмоток от нейтрального провода, а если после отключения нагрузки температура снижается или возрастает при незначительной скорости, то короткое замыкание имеет место не в самом магнитоэлектрическом генераторе, а на нагрузке.