Способ токовой защиты асинхронного электродвигателя Советский патент 1990 года по МПК H02H7/85 H02H7/08 H02H3/08 H02H5/04 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к способам релейной токовой защиты электродвигателей.

Целью изобретения является повышение надежности путем улучшения чувствительности защиты и свободной периодической составляющей пускового типа и быстродействия отключения электродвигателя при заклинивании ротора и коротких замыканиях.

На фиг. 1 изображена блок-схема, реализующая способ токовой защиты асинхронного электродвигателя; на фиг. 2 - принципиальная электрическая схема, реализующая способ токовой за-щиты; на фиг. 3 - свободный переходный ток icg асинхронного двигателя при пуске и его составляющие: периодическая 1П|С8и апериодическая iq.

В цепи статора включен измеритель тока 1, трансформатор тока 2 и преобразователь ток - напряжение 3, к которому подключены выпрямители поло жительных и отрицательных полуволн тока k и 5, нагруженные инерционным звеном 6, элементом задержки 7 и блоком 8 моделирования теплового состояния асинхронного двигателя. Выход инерционного звена 6 соединен с блоком компенсации апериодического тока Sf коммутируемого ключом 10, подсоею

tsD

ОЭ

ГО

диненлым управляющей цепью к элементу задержки 7. Ьлок компенсации 9 подключен к компаратору 11 по схеме сравнения с опорным потенциалом как положительного напряжения так и отрицательного. К компаратору 11 присоединена управляющая цепь ключа с самоудержанием 12, соединяющего своей исполнительной частью дополнительный конденсатор с одним из основных конденсаторов, блока моделирования теплового состояния 8. Кроме того, выходы выпрямителей k и 5 через формирователь напряжения, пропорционального периодической составляющей первичного тока и его производной 13 присоединены к выходному компаратору I t, соединенному выходом одновременно с блоком моделирования теплового состоя- ния 8, а выходом - с исполнительным органом 15 защиты.

Устройство для реализации способа работает следующим образом.

Первичный ток защищаемого электро- двигателя после трансформации первичным и промежуточным трансформаторами 2 и 3 преобразуется однополупериодны- ми выпрямителями k и 5 в напряжения, пропорциональные амплитудным значе- ниями соответственно положительной и отрицательной полуволн. Каждый из полупериодов принужденной составляющей пускового тока частотой 50 Гц смещается относительно оси времени свободными переходными составляющими: апериодическими i периодическими in ™ (Лиг. 3). Результирующее смещеHI VDw„

ние и положительной, и отрицательной полуволн тока (кривая ic& фиг. 3) совпадает по знаку с одной из них и противоположно другойо Следовательно, амплитуда одной из полуволн увеличивается, амплитуда другой - в такой же мере уменьшается. Напряжения, пропорциональные этим амплитудам, суммируются с различными знаками операционным, усилителем инерционного звена 6. В результате суммирования значения свободных составляющих уд- ваиваются, а принужденных - компенсируются. Поэтому выходное напряжение инерционного звена 6, имеющего постоянную времени около 20-25 мс, изменяется под воздействием именнр свободного тока ic$« Одна из его составляющих - своСюдная периодическая ifl,c6 появляется только при разгоне машины и является, следовательно, признаком успешного пуска. В этом случае время срабатывания защиты максимально и превышает с некоторым запасом время пуска двигателя.

Для разделения результирующего свободного тока на периодическую и апериодическую составляющие в первые 25-28 мс после подключения двигателя к сети выход инерционного звена ключом 10 соединяют с элементом выделения апериодического тока 9. Разделение свободных составляющих основано на зависимости свободного периодического тока от частоты вращения ротора ыг, а именно на том обстоятельстве, что присог 0 и it,iCe 0. Р момент подключения электродвигателя к сети имеет место равенство UL, нулю. Следовательно, в этот момент разностное напряжение на выходе выпрямителей и 5 и напряжение инерционного звена 6 не содержат свободной периодической составляющей Следует отметить, что к блоку выделения апериодической составляющей выходное напряжение инерционного звена 6 прикладывается не на нулевом интервале времени (за время /Jt О при включении электродвигателя ток его статора не изменяется по сравнению с его предшествующим значением, например нулевым, если двигатель был отключен), а на отрезке в 25-28 мс, когда wr пренебрежимо мала: это время необходимо для выделения апериодической составляющей тока выпрямителями k и 5. Первые период - полтора и необходимы для сравнения амплитуд положительной и отрицательной полуволн тока, т.е. выделения апериодической составляющей. Напряжением данной составляющей тока заряжается конденсатор элемента 9, подсоединяемого ключом 10 параллельно выходу 6. Однако -через 25-28 мс ключ 10 дешунтирует выход компаратора 11 и элемент 9 оказывается включенным последовательно с выходом блока 6, причем его напряжение, пропорциональное апериодической составляющей переходного тока, вычитается из суммарного свободного тока (выделяемого на выходе блока 6). Следовательно, на выходе компаратора 11 действует только свободная периодическая составляющая переходного пускового тока.

Компаратором 11 осуществляется сравнение текущего значения свободного периодического тока с заданным

515

значением (как при положительном его знаке, так и при отрицательном). Ненулевое значение опорного напряжения компаратора исключает возможность его срабатывания от небаланса с частотой 50 Гц. Напряжение небаланса имеет место в разностном сигнале выпрямителей k и 5 и существенно снижается инерционным звеном 6 (фильтром низших частот и по сравнению с сумматором - усилителем, поэтому дающим гораздо большее отношение напряжения инфранизкой частоты на выходе к напряжению небаланса с частотой 50 Гц). Так как полностью исключить небаланс невозможно, то порог срабатывания компаратора 11 выставляется большим периодической составляющей его входного напряжения при кратности первичного тока частотой 50 Гц, равной пусковой .

Компаратор 11 при наличии низкочастотного периодического тока переключателя, вызывая отпирание ключа с самоудержанием 12 (аналоге тиристора). Последний, в свою очередь, подключает дополнительную емкость к PC модели теплового состояния двигателя увеличивая до максимального значения время достижения ее выходным напряжением порога срабатывания выходного компаратора 1. Следует отметить, что многоконтурная тепловая модель в данном способе защиты не только эквивалентирует нагрев каждого из разнородных в тепловом отношении элементов машины: обмоток статора, стали, обмоток ротора (каждому элементу соответствует отдельная емкост и резистивная связь, характеризующая взаимную теплопередачу), но и предполагает контроль предельного температурного состояния двух элементов: обмоток статора и ротора. Пропорциональные им напряжения подаются на компаратор 1А„ Если, таким образом, по истечении времени, равного длительности разгона машины, ток не снизил своего значения до уровня номинального или меньшего (например, при затянувшемся пуске), напряжение выхода тепловой модели двигателя достигает порога переключения компаратора, который вырабатывает сигнал на срабатывание исполнительного органа 15, а соответственно отключение электродвигателя.

5

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

Выходное напряжение выпрямителей и 5, кроме того, преобразуется формирователем О в напряжение K,In+ где Kt Кг вещественные коэффициенты, определяющие соотношение тока и его производной в рабочем сигнале отсечки; 1П - действующее значение принужденной составляющей (частотой 50 Гц). Это напряжение также сравнивается компаратором с опорным, обеспечивая срабатывание за щиты при сверхтоках (коротких замыканиях с большими кратностями токов) без выдержки времени, т.е. отсечку по току.

Короткие замыкания, к которым нечувствительна отсечка, вызывают нарастание напряжения блока 8, однако без дополнительной емкости, т.е. с малой постоянной времени. Действительно, ввиду отсутствия в токе статора составляющих инфранизкой частоты, компаратор 11 остается в исходном, а ключ 12 - в отключенном состоянии. Кроме того, при кратностях тока 0,7 КЛ 1 ном(К п - кратность пускового тока; IHO,J: номинальный ток статора машины) через 25-28 мс срабатывает орган задержки 7, ускоряя своим выходным напряжением нарастание напряжения блока 8. Достижение порога переключения компаратора 1 при этом происходит за время, не превышающее 0,5 с.

При перегрузках машины блок моде- пирорания теплового состояния не подвержен ни замедлению путем включения ключа 12, ни ускорению напряжением блока 7. В этом случае время изменения напряжения блока 8 до уровня срабатывания максимально приближено к перегрузочной характеристике машины, обеспечивая, с одной стороны, допустимый тепловой режим двигателя, а с другой - максимальное использование электроприводом перегрузочных свойств двигателя.

Таким образом, положительный эффект от использования изобретения состоит в повышении чувствительности защиты к свободной периодической составляющей пускового тока электродвигателя. Это обеспечивается снижением порога срабатывания компаратора свободного периодического тока на ( величину апериодической составляю/

щей, которая выделяется как разность полуволн тока в начале пуска, когда в свободном переходном токе отсутствует периодическая составляющая, выз- ванная вращением ротора, и в последующем компенсируется в сигнале, сравниваемом компаратором с уставкой.

За счет компенсации в свободном токе его апериодической составляющей повышается быстродействие защиты при несостоявшихся пусках и заклиниваниях ротора. Отсутствие в сигнале, по которому идентифицируется разворот ротора, апериодической составляющей большей свободной периодической составляющей на начальном этапе пуска машины, позволяет исключить из алгоритма функционирования защиты время затухания апериодического тока до значений, меньших свободного периодического тока. Это снижает перегрев машины при ее подключении к сети с заклиненным ротором при стопорениях в процессе работы.

За счет зависимости степени ускорения срабатывания защиты при заторможенном роторе от тока снижается время срабатывания с увеличением тока короткого замыкания, что позволяет снизить размеры повреждений машины.

формула изобретения

Способ токовой защиты асинхронно- го электродвигателя, при котором раздельно измеряют средневыпрямленные амплитудные значения тока статора каждого знака, получают сумму этих токов, сравнивают ее величину вместе с производной по времени с уставкой срабатывания отсечки по току, превышающей пусковое значение, и при их равенстве разрешают срабатывание защиты, одновременно моделируют теп- ловое состояние машины и по достиже

0

5 0

5

0

нии предельно допустимой температуры разрешают срабатывание защиты, одновременно выделяют свободные периодические составляющие тока статора низ1- ших частот, вызванных апериодическими составляющими тока ротора и его вращением, вычитают модули отрицательных полуволн тока статора из модулей положительных, сравнивают полученную разность с заданным значзнием, в случае превышения которого на заданном интервале разрешают срабатывание защиты с выдержкой времени, большей времени разгона машины, а в случае, если полученная разность меньше на заданном интервале, разрешают ускоренное отключение электродвигателя, при этом свободные составляющие тока статора получают низкочастотной фильтрацией разности модулей полуволн тока, а моделирование теплового состояния выполняют электрически для статора, ротора и магнитопровода машины, о т- личающийся тем, что, с целью повышения надежности путем улучшения чуствительности защиты к свободной периодической составляющей пускового тока и быстродействия при заклиниваниях ротора и коротких замыканиях, дополнительно выделяют начальное значение апериодических составляющих тока статора хак разность полуволн тока в начале пуска, когда свободные периодические составляющие, вызванные вращением ротора, отсутствуют, в последующем вычитают апериодические составляющие из разности полуволн тока статора, а заданный интервал времени устанавливают равным максимальному значению первого периода разворота ротора на 360 эл. град., при этом ускорение срабатывания при заторможенном роторе выполняют с обратно зависимой от тока выдержкой времени.

т

2 гпф

Изобретение относится к релейной защите элементов электрических систем. Целью изобретения является повышение надежности путем улучшения чувствительности защиты к свободной периодической составляющей пускового тока электродвигателя и быстродействие при заклиниваниях ротора и коротких замыканиях. Цель достигается тем, что тепловое состояние машины моделируется тремя апериодическими элементами с взаимной связью и ключевой схемой увеличения постоянной времени нагрева модели при успешном пуске машины. Способ защиты обеспечивает пониженный небаланс сигнала частотой 50 Гц в выделяемых свободных составляющих тока, повышенную чувствительность к последним. Также обеспечивается более высокая точность и быстродействие идентификации разворота ротора при подключении машины к сети. 3 ил.

.JiL

&

А

J i

Z9228Sl