Устройство для защиты электрического двигателя от перегрузки и сверхтоков Советский патент 1988 года по МПК H02H7/85 H02H3/08 

О

&о эо

1

Изобретение относится к электротехнике, а именно к релейной защите электрических машин., и может быть использовано на электрических станциях, подстанциях, в районных электрических сетях, атакже системах электроснабжения промьппленных предприятий.

Цель изобретения - повьшение ствительности и надежности защиты, расширение области применения.

На фиг, 1 представлена принципиальная электрическая схема устройства защиты, на фиг.2 - диаграммы, ха рактеризующие функционирование устройства защиты при пуске защищаемог электродвигателя.

Устройство содержит датчик 1 ток электродвигателя, включающий в себя трансформатор 2 тока и преобразователь 3 ток - напряжение (промежуточный трансформатор, нагруженный резитором). К выходу последнего подсоединены формирователи выпрямленных

сигналов, выполненные по схеме одно- полупериодных выпрямителей 4 и 5 со сгл,аживающими конденсаторами и разрядными резисторами, соединенными

шины включен на суммарное напряжени выпрямителей, формирователь сигнала пропорционального току двигателя и его производной, связывает раздельно инвертирующий вход второго (выходного) компаратора 10 с выходом выпрямителя отрицательной полуволны тока, а неинвертирующий - с выходом выпрямителя положительной полуволны тока. Формирователь 6 сигнала, пропорционального сумме полуволн тока статора, через первый элемент 11 вы держки времени соединен с входной цепью транзисторного ключа 12, чере исполнительную цепь которого к источнику постоянного тока подключен второй элемент 13 выдержки времени и исполнительная цепь блокирующего ключа (аналога тиристора) 14. Формирователь 7 сигнала, пропорциональ ного разности полуволн тока статора через выпрямитель 15 подключен к входу первого компаратора 16, нагру женного управляющей цепью блокирующего ключа 14. Второй компаратор 10 соединен с входом исполнительного органа 17 устройства защиты, воздей

между собой согласно и последователь- ЗО ствующего на выключатель 18 в цепи

но, причем точка их соединения является общей шиной cxeNJbi.

К выходам формирователей 4 и 5.выпрямленных сигналов присоединены формирователь 6 сигнала, пропорциональ- ;ного сумме полуволн тока статора, и формирователь 7 сигнала, пропорционального разности полуволн тока статора, выполненные; на операционных усилителях, причем формирователь 6 выполнен на операционном усилителе с ненулевым.опорным потенциалом. Устройство содержит также многоконтур- ный КС-аналог 8 теплового состояния двигателя и последовательно соединенный с ним формирователь 9 сигнала, пропорционального сумме действующего значения периодической составляющей тока машины и ее производной.

При этом операционный усилитель формирователя 6 подюшчен неинверти- рукнцим входом к конденсатору выпрямителя отрицательной полуволны тока, а инвертир-ующим - к конденсатору выпрямителя положительной полуволны, формирователь 7 подсоединен неинвер- тируклцим входом по схеме суммирования к выходам выпрямителей положительной и отрицательной полуволны

тока, аналог теплового состояния машины включен на суммарное напряжение выпрямителей, формирователь сигнала пропорционального току двигателя и его производной, связывает раздельно инвертирующий вход второго (выходного) компаратора 10 с выходом выпрямителя отрицательной полуволны тока, а неинвертирующий - с выходом выпрямителя положительной полуволны тока. Формирователь 6 сигнала, пропорционального сумме полуволн тока статора, через первый элемент 11 выдержки времени соединен с входной цепью транзисторного ключа 12, через исполнительную цепь которого к источнику постоянного тока подключен второй элемент 13 выдержки времени и исполнительная цепь блокирующего ключа (аналога тиристора) 14. Формирователь 7 сигнала, пропорционального разности полуволн тока статора через выпрямитель 15 подключен к входу первого компаратора 16, нагруженного управляющей цепью блокирующего ключа 14. Второй компаратор 10 соединен с входом исполнительного органа 17 устройства защиты, воздей5

0

5

0

5

статора двигателя 19.

Устройство работает следующим образом.

Ток защищаемого электродвигателя 19 трансформатором 2 тока преобразуется по вехгачине и уровню номинального первичного тока промежуточного трансформатора 3, который вместе с нагрузочным регулировочньм резистором вторичной цепи образует преобразователь тока в напряжение. Формирователями 4 и 5 выпрямленных сигналов осуществляется преобразование переменного напряжения, пропорционального первичному току, а сигналы, пропорциональные его амплитудам - отрицательной и положительной. Выходы формирователей 4 и 5 соединены последовательно и согласно. Точка их соединения является общей шиной и для остальных блоков схемы.

К общей шине подключен движок под- строечного резистора делителя, обеспечивающего точную балансировку напряжений сглаживающих конденсаторов указанных однополупериодных выпрямителей, а следовательно, минимизшдию небаланса обусловленного неравенством параметров элементов выпрямительных схем 4 и 5. Относительно общей шины на противоположных обкладках конденсаторов формирователей 4 и 5 действуют, следовательно, напряжения пропорциональные амплитудам отрицательной и положительной полуволн тока, причем относительно общей шины напряжения конденсаторов имеют противоположные знаки.

Если первичный ток не содержит . апериодических субгармонических составляющих, то максимальные положительное и отрицательное значения токов на периоде равны по модулю, а их разность равна нулюо Апериодический ток смещает принужденную составляющую частотой 50 Гц, и амплитудные значения полуволн тока на периоде, а следовательно, и напряжения рассматриваемых конденсаторов не равны друг другу по модулю. То же имеет место и при действии субгармонической составляющей в переходном токе (фиг.2).

Напряжения сглаживающих конденсаторов формирователей 4 и 5 подаются на вход формирователя 7 сигнала, пропорционального разности полуволн тока статора. На неинвертирующем входе этого формирователя напряжения конденсаторов имеют противоположные знаки. Поэтому при равенстве разности потенциалов конденсаторов выходное напряжение формирователя 7 равно ну- JBO. В том сдучае, когда амплитуды полуволн тока i (фиг.2) не равны между собой, выходной потенциал формирователя 7 увеличивается по модулю (он может иметь как положительный, так и отрицательный знак). В составе разностного входного сигнала, кроме . составляющей, пропорциональной апериодическому или субгармоническому току, действует напряжение частотой 50 Гц (Ug, фиг.2), являющееся небалансом. Использование формирователя 7, наряду с резистивной обратной связью и емкостной, позволяет снизить долю напряжения частотой 50 Гц в составе его выходного напряжения (Ujh, фиг.2). Последнее через выпрямители 15 подается на первый компаратор 16 и в случае превьшения его уставки вызывает переключение компаратора 16, на его выходе формируется положительный сигнал, подаваемый на управляющий вход блокирующего ключа 14 (транзисторного аналога тиристора).

,

3980164

Таким образом, рассмотренный канал устройства защи1 1 создает условия для отпирания блокирующего ключа 14 при содержании в первичном токе апериодической или свободной периодической составляющей. Вторым условием протекания тока через блокирующий ключ 14 является наличие его анодно Q го напряжения.

Чтобы определить режимы работы устройства защиты, при которых выполняется второе условие протекания тока через блокирующий ключ 14, рас15 смотрим работу блоков 6, 11 и 12.

35

Входными сигналами (фиг.1) формирователя 6 сигнала, пропорционального сумме полуволн тока статора, также являются напряжения сглаживающих кон2Q денсаторов формирователей 4 и 5,имеющие разную полярность относительно общей шины. Напряжения конденсаторов подают на входы формирователя 6: отрицательное - на неинвертирующий,

25 положительное - на инвертирующий (на этот же вход подается отрицательное напряжение смещения движка подстроеч- ного резистора). Следовательно, если конденсаторы не заряжены, выходное

3Q напряжение инерционного звена положительно. То же имеет место в случае, если сумма модулей напряжений конденсаторов меньше уставки (задаваемой подстроечным резистором, связывающим инвертирующий вход усилителя с минусом источника питания). Уставка выбирается на уровне 70% от напряжения, соответствующего периодической принужденной составляющей пускового тока. Именно этой составляющей пропорциональна сумма модулей напряжений конденсаторов выпрямителей 4 и 5 в пусковом режиме двигателя.

В тех режимах,когда первичный ток превышает 0, , где К - кратность пускового тока} I „ - номинальный ток мащины, выходное напряжение формирователя 6 начинает уменьшаться, переходит через нулевое значение и далее достигает предельной

отрицательной величины. Время практически полного изменения напряжения инерционного звена при пусковом токе составляет 50 - 60 мс (из этого условия выбирается емкость обратной

связи звена) Уменьшение выходного напряжения формирователя 6 вызывает разряд конденсатора первого элемента 11 выдержки времени. Его разность

40

45

потенциалов доходит до нуля, затем меняет свой знак. При определенной величине его отрицательного потенциала происходит пробой стабилитрона i первого элемента 11 выдержки времени и по управляющему переходу транзисторного ключа 12 проходит ток. Использование для заряда времязадающего конденсатора, изменяющего напря- жение, позволяет сделать начальную часть кривой его разряда более пологой, а конечную часть, определяющую срабатывание, - более крутой и тем самьм повысить точность отработки выдержки времени.

Переход транзисторного ключа 12 IB провод}пцее состояние обеспечивает заряд конденсатора второго элемента 113 выдержки времени н является дос- |гаточным условием включения блокиру- Ьщего ключа 14. Последний, таким образом, включается в тех случаях, когда ток защищаемого электродвигателя на интервале времени, большем выдерж- Ки nejpBoro элемента времени (0,1 - 0,3 с), превьшает значение 0,7 Кр-Г,,, :и в его составе спустя указанное время содержится низкочастотная составляющая. Перечисленные условия являются признаками успешного пуска электродвигателя. Следовательно, блокирующий ключ 14 блокирует устройство защиты в пусковом режиме электродви- jf а теля о

Если ротор машины остается в за- Торможенном состоянии, конденсатор второго элемента 13 выдержки времени йродолжает заряжаться и спустя 0,15 - 0,55 с достигает порога переключения компаратора 10; Последний своим поло- kитeльным выходным потенциалом вызы- ваат переключение транзистора и сра- батъшание исполнительного реле выходного органа 17, воздействующего на элементы отключения- защищаемого электродвигателя. Время срабатьшания защиты при этом составляет 0,25 - 0,585 с (меньшая выдержка времени от Е: осится и может быть установлена для гшектродвигателей мощностью до 200 - 5:50 кВт, большая - для крупных ма- Ешн),

Устройство защиты электродвигате ля, кроме того, снабжено органом 8, обеспечивающим срабатьюание с обрат- но зависимой от тока выдержкой времени. Времяз адакнцая схема такого органа содержит трехконтурную RC-цепь,

0

5

0

5

0

5

0

5

заряд каждого из конденсаторов которой эKBивалентирует нагрев соответственно обмоток статора, стали машины, обмоток ротора (в том числе взаимный обмен тепловой энергией, передаваемой от одной части машины к другой). Вход данной времязадающей цепи подключен к конденсаторам формирователей 4 и 5 выпрямленных сигналов. В качестве выходного сигнала используется половина напряжения последнего конденсатора, т.е. потенциал его обкладки относительно общей шины схемы (деление напряжения указанного конденсатора осуществляется симметричной резисторной цепочкой). В момент времени, когда отрицательный выходной потенциал превьщ1ает по мoдyJПO уставку компаратора, происходит срабатывание защиты. Орган с зависимой выдержкой времени ответственен за отключение электродвигателя при затянувшихся пусках, а также при перегрузках с кратностями тока, мень.- шими 0,7 .

На входы второго компаратора 10, кроме того, подаются сигналы положительной и отрицательной полярностей, каждый из которых пропорционален величине первичного тока и его производной. Компаратор действует на сумму модулей данных сигналов, и, таким образом, обеспечивается его срабатьшание при превьш1ении сигналом

dij.

dt

вительные коэффициенты, определяемые соотношением параметров резисторов.и конденсаторов формирователя 9J 1 - периодическая составляющая тока статора электродвигателя) заданной величины - уставки компаратора. Соотношение формируемого сигнала и уставки выбирается таким, чтобы срабатьшание происходило только при токах, больших пускового (т.е. при коротких замыканиях с кратностями тока, большими пусковых, Этот сигнал подается на второй компаратор 10 без временной задержки и обеспечивает, таким образом, срабатывание защиты без выдержки времени.

Таким образом, обеспечивается повьш1ение чувствительности устройства к свободным периодическим составляющим переходного тока электрической машины, а также возможность

К 1 + К,, (где К, и К - деистиспользования устройства для защиты двигателя различных мощностей.

Подключение управляющей цепи ключа 12 только к выходу первого органа выдержки времени обеспечивает высокий коэффициент усиления транзисторного каскада (в известном устройстве управляющий ток одновременно проходит и по цепи нагрузки ключа, что создает отрицательную обратную связь не позволяя получить четкое переключение исполнительной цепи ключа),К(р ме того, исполнительная цепь соединяет последующие элементы непосред-. ственно с положительным полюсом источника питания, в результате чего не только разгружается операционный усилитель, но и улучшаются условия работы блокирующего ключа, создается необходимый запас по току его исполнительной части, обеспечивая надежное удержание блокирующего ключа в открытом состоянии.

0

0

при этом выход формирователя сигнала,; пропорционального cyMhfe полуволн тока статора, соединен с входом первого элемента выдержки времени, а выход формирователя сигнала, пропор- ционал ного разности полуволн тока статора, через последовательно соединенные выпрямитель и первый компаратор присоединен к управляющему входу блокирукяцего ключа, подключенного параллельно второму элементу выдержки времени, а также исполнительный орган, отличающееся тем,-что, с целью повышения чувствительности и надежности защиты, расширения области применения, в устройство дополнительно введены транзисторный ключ, второй компаратор и последовательно Соединенные многоконтурный RC-аналог теплового состояния электродвигателя и формирователь сигнала, пропорционального сумме действующего значения периодической сос

Изобретение относится к электротехнике, а именно к релейной защите электрических машин, и может быть использовано на электрических станциях, подстанциях, в районных электрических сетях, а также системах электроснабжения промышленнь1Х предприятий. Цель изобретения - повьше- ние чувствительности и надежности за щиты, расширение области применения. Поставленная цель достигается тем, что в устройство дополнительно введены последовательно соединенные мно гоконтурный КС-аналог теплового состояния электродвигателя 8 и формирователь 9 сигнала, пропорционального сумме действзтощего значения периодической сосчовляющей тока статора и ее производной, второй компаратор 10 и транзисторный ключ 12. Вход транзисторного ключа 12 подключен к выходу первого элемента вьщержки време ни 11, а выход его связан с цепью питания блокирующего ключа 14. Вход блока 8 соединен с выходами формирователей выпрямленных сигналов 4 и 5, а выход блока 9 - с первым входом второго компаратора 10. 2 ил. - S (Л

Средства обеспечения надежного вы- je тавляющей тока статора и ее производявления свободной периодической составляющей переходного тока гарантируют, кроме того, исключение ложных срабатываний защиты при отсутствии повреждений электродвигателя, т.е. обеспечивают повьшение надежности его защиты.

Фор.мула изобретения

Устройство для защиты электрического двигателя от перегрузки и сверх- токов, содержащее датчик тока, первичная обмотка которого имеет клеммы для подключения в статорную цепь электродвигателя, а вторичная обмотка через преобразователь ток - на- . пряжение подключена к соответствую- щим входам формирователей положительных и отрицательных полуволн выпрямленных сигналов, выходы последних присоединены к соответствукицим входам формирователей сигналов, прог порциональных соответственно сумме и разности полуволн тока статора.

30

35

40

45

ной, вход многоконтурного RC-аналога теплового состояния электродвигателя соединен с выходами формирователей выпрямленных сигналов, а выход формирователя сигнала, пропорционального сумме действуклцего значение периодической составляющей тока статора и ее производной - к первому входу второго компаратора, вход транзисторного ключа подсоединен к выходу первого элемента выдержки времени, а выход соединен с цепью питания блокирующего ключа, выход которого подключен к второму входу второго компаратора, выход последнего соединен с входом исполнительного органа, при этом преобразователи выпрямленных сигналов соединены меж,цу собой последовательно согласно и точка их соединения является общей щиной для всех операционных усилителей, а в цепь отрицательной обратной связи преобразователя сигнала, пропорционального сумме полуволн тока статора, подключен конденсатор.

e тавляющей тока статора и ее производ0

5

0

5

ной, вход многоконтурного RC-аналога теплового состояния электродвигателя соединен с выходами формирователей выпрямленных сигналов, а выход формирователя сигнала, пропорционального сумме действуклцего значение периодической составляющей тока статора и ее производной - к первому входу второго компаратора, вход транзисторного ключа подсоединен к выходу первого элемента выдержки времени, а выход соединен с цепью питания блокирующего ключа, выход которого подключен к второму входу второго компаратора, выход последнего соединен с входом исполнительного органа, при этом преобразователи выпрямленных сигналов соединены меж,цу собой последовательно согласно и точка их соединения является общей щиной для всех операционных усилителей, а в цепь отрицательной обратной связи преобразователя сигнала, пропорционального сумме полуволн тока статора, подключен конденсатор.

ЩДAЛAд/ / ЛЛЛJlП/VlЛЛЛЛMA

Ь|,..л,Д д/удл

Фиг. 2