Устройство для токовой защиты асинхронного электродвигателя Советский патент 1991 года по МПК H02H5/04 H02H3/08 H02H7/08 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к средствам релейной защиты электрических машин и может быть использовано на электрических станциях, подстанциях, в районных электрических сетях, а также системах электроснабжения промышленных предприятий для предотвращения повреждений асинхронных электродвигателей в результате заклиниваний ротора, несостоявшихся пусков, перегрузок, локализации размеров внутренних повреждений.

Цель изобретения - повышение чувствительности, селективности и надежности функционирования защиты электродвигателя.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - принципиальная электрическая схема.

Устройство содержит измеритель 1 тока электродвигателя в цепи его статора, включающий в себя трансформатор 2 тока и преобразователь 3 ток-напряжение (промежуточный трансформатор, нагруженный резистором). К выходу последнего через ограничитель 4 уровня сигнала на заданное значение подключены выпрямители положительных 5 и 7 и отрицательных 6 и 8 полуволн тока. Первая группа выпрямителей 5 и 6 нагружена инерционным звеном 9, соединенным через орган 10 компенсации апериодического тока с триггером-компаратором 11, а также с ключом 12. Вторая группа выпрямителей 7 и 8 присоединена к элементу 13 задержки, нагруженному управляющей цепью ключа 12, а также к блоку многоконтурного 14 RC-аналога теплового состояния электродвигателя и формирователю 15 нао о

00

со

00

пряжения, пропорционального производной принужденного тока асинхронного двигателя. Выходы блоков 14 и 15 через компаратор 16 соединены с исполнительным ,орга- ном 17 устройства защиты. При этом блок 14 многоконтурного RC-аналога теплового состояния связан с выходом триггера-компаратора 11.

Устройство работает следующим образом.

Ток статора защищаемого электродвигателя преобразуется трансформатором 2 тока к уровню первичного номинального тока промежуточного трансформатора, который вместе с регулировочным резистором в цепи его вторичной обмотки образует преобразователь ток-напряжение 3. Его выходное напряжение после гашения стабилитроном ограничителя 4 (ограничитель гасит часть напряжения, численно равнчю 0,75-0,85/я, где /„ - паспортное значение пуске, : то тока электродвигателя) преобразуется ,)иоиолу- периодными выпрямителями 5 и 6 го слаживающими конденсаторами в напрг/ ония, пропорциональные амплитудам соответственно положительной и отрицательной полуволн тока статора защищаемой машины за вычетом заданного значения (уровня 0,75-0,85 /„), что позволяет уменьшить долю сигнала, пропорционального принужденной составляющей пускового тока частотой 50 Гц). Кроме того, выходное напряжение измерителя 1 тока без ограничения преобразуется выпрямителями 7 и 8 в напряжения, пропорциональные амплитудам соответственно положительной и отрицательной полуволн гока статора машины.

Каждый из полупериодов принужденной составляющей пускового тока частотой 50 Гц действует вместе со свободными составляющими: апериодической ia и низкочастотной периодической /„ J. На интервалах а-х мени, когда суммарный свободный ток по ю/ките- лен, амплитуда положительной пол волны принужденного тока увеличивается, а амплитуда отрицательной уменьшается. Следовательно, напряжения на выходах выпрямителей 5 и 7 отличаются от напряжений выходов 6 и 8 на величину, пропорциональную свободному току машины.

Напряжения выпрямителей 5 и 6 имеют различные знаки и суммируются, операционным усилителем инерционного звенз 9. В результате суммирования значения свободных составляющих удваиваются, а принужденных - компенсируются. Поэтому выходное напряжение инерционного звена 9 (имеющего постоянную времени 20-25 мс) пропорционально свободной составляющей тока машины . d- Так как составляющая in cH появляется только при разгоне машины, то она является признаком успешного пуска. Ее выделение поэтому необходимо для иден- тифицикации разгона машины. Следует отметить, что точной компенсации принужден0

5

0

0

5

0

5

ного тока частотой 50 Гц получить на неинвертирующем входе операционного усилителя органа 9 не удается, хотя компенсируются сигналы, пропорциональные не амплитудам пускового тока, а только его части (1 - 0,75-0,85)/„(0,25-0,5)/„. Для подавления сигнала небаланса частотой 50 Гц орган 9 и выполняется в виде инерционного звена с постоянной времени 20-25 мс, что придает ему свойства частотного фильтра и увеличивает отношение полезного низкочастотного сигнала к сигналу небаланса на его выходе.

Для разделения результирующего свободного тока, выделяемого инерционным звеном 9, на периодическую и апериодическую составляющие в первые 25-28 мс после подключения двигателя к сети (увеличения тока до пускового значения) выход звена 9 нагружается ключом 12 на элемент 10 выделения апериодического тока. Разделение свободных апериодических и периодических составляющих основано на зависимости периодических составляющих от час- готы вращения ротора шг, в частности генераторном характере их возникновения, а следовательно, равенстве нулю при заторможенном роторе. В момент подключения электродвигателя к сети как раз и имеет месте равенство нулю частоты вращения. ПОЭТОУ в данный момент измеряемый ток, а следовательно, напряжение на выходе инерционного звена 9 не содержат свободной периодической составляющей. То же относится к первым десяткам миллисекунд разгона двигателя, когда частота вращения ротора пренебрежимо мала. Следует отметить, что первый после включения машины отрезок времени в 25-28 мс ключ 12 соединяет блок 10 выделения апериодической составляющей с выходом инерционного звена 9: это время необходимо для выделения апериодической составляющей тока выпрямителями 5 и 6. Первый период - полтора осуществляется сопоставление амплитуд положительной и отрицательной полуволн тока, формирование разности их модулей, т. е. выделение апериодической составляющей.

Напряжением, пропорциональным апериодической составляющей тока, заряжается конденсатор элемента 10, подсоединяемый при запуске электродвигателя ключом 12 к земле и потенциальному выходу инерционного звена 9. Через 25-28 мс ключ 12 де- шунтирует вход триггера-компаратора 11. При этом конденсатор элемента 10 оказывается подключенным последовательно с выходом блока 9, причем его напряжение, пропорциональное апериодической составляющей переходного тока, вычитается из суммарного свободного тока на выходы блока 9. Следовательно, на входе триггера-компаратора 11 действует только свободная периодическая составляющая переходного пускового тока

Компаратором 11 с положительной обратной связью осуществляется сравнение текущего значения свободного периодического тока с заданным значением (как при положительном его знаке, так и при отрицательном). Ненулевое значение опорного напряжения компаратора исключает возможность его срабатывания от небаланса частотой 50 Гц. Компаратор отстраивается от сигнала небаланса частотой 50 Гц при кратности первичного тока, равной пусковой в заторможенном роторе.

Триггер-компаратор 11 при наличии низкочастотного периодического тока переключается и удерживается за счет положительной обратной связи в состоянии положительного выходного сигнала, отпирая транзистор RC-аналога теплового состояния двигателя. Транзистор подключает дополнительную емкость к RC-аналогу нагрева машины, увеличивая до максимального значения время достижения ее выходным напряжением порога срабатывания выходного компаратора 16. Питание Л С-аналога осуществляется от последовательно соединенных однополу- периодных выпрямителей 7 и 8. Многоконтурный тепловой ЯС-аналог эквиваленти- рует нагрев каждого из разнородных в тепловом отношении элементов машины: обмоток статора, стали, обмоток ротора. Каждому из перечисленных элементов машины соответствует отдельная емкость и резистив- ная связь с измерителем тока машины, а также взаимные резистивные связи, характеризующие взаимную теплопередачу нагревающихся элементов машины. Пропорциональные температурам обмоток напряжения конденсаторов подаются на компаратор 11.

Если по истечении времени, равного длительности разгона машины, ее ток не снизил своего значения до уровня номинального или меньшего значения, напряжение выхода тепловой модели вместе с дополнительным конденсатором достигает порога переключения компаратора, который вырабатывает сигнал на срабатывание исполнительного органа 17, а соответственно отключение электродвигателя.

В том случае, когда низкочастотный периодический ток отсутствует, т. е. ротор машины не разворачивается, триггер-компаратор 11 не переключается, транзистор RC- аналога теплового состояния заперт, дополнительный конденсатор исключен из контура заряда. Постоянные времени заряда основных конденсаторов тепловой модели при этом много меньше и, следовательно, при пусковой кратности измеряемого тока, но заторможенном роторе выходное напряжение достигает порога переключения выходного компаратора с ускорением, обеспечивая отключение электродвигателя при несостоявшемся пуске с меньшей выдержкой времени.

Выходное напряжение выпрямителей 7 и 8, кроме того, преобразуется формирова0

5

5

телем 15 в напряжение ,i-dIn/ /dt, где К, К - вещественные коэффициенты, определяющие соотношение тока и его производной в рабочем сигнале отсечки; /а- действующее значение принужденной составляющей тока частотой 50 Гц. Это напряжение также сравнивается компаратором с опорным, обеспечивая срабатывание защиты при сверхтоках без выдержки времени, т. е. отсечку по току.

Короткие замыкания, к которым нечувствительна отсечка, вызывают срабатывание выходного компаратора за счет быстрого нарастания напряжения блока 14. Так как субгармонические составляющие в этом случае отсутствуют, то транзистор блока 14 заперт, дополнительный конденсатор отключен, постоянные времени заряда конденсаторов блока 14 существенно уменьшены. Кроме того, при кратностях тока, превышающих QJKnIHOM (Кп - кратность пускового

0 тока, 1НОМ - номинальный ток статора машины), через 25-28 мс срабатывает орган 7 задержки, ускоряя выходным напряжением нарастание напряжения блока 14. Достижение порога переключения компаратора 16 при этом происходит за время, не превышающее 0,5 с.

При перегрузках машины блок 14 не подвержен ни замедлению путем включения его транзисторного ключа, ни ускорению напряжением блока 13. В этом случае время изменения его напряжения до уровня срабатывания максимально приближено к характеристике перегрузочной способности защищаемой машины, обеспечивая допустимый тепловой режим двигателя без повреждения изоляции его обмоток, а также максимальное использование электроприводом перегрузочных свойств двигателя.

Положительный эффект, обеспечиваемый новой совокупностью признаков, состоит в повышении чувствительности устройства к свободной периодической составляющей пускового тока асинхронного электродвигателя, а соответственно, селективности его защиты. Это обеспечивается выделением свободной низкочастотной составляющей тока статора машины не из пускового тока,

5 имеющего высокую кратность принужденного тока частотой 50 Гц, - источник большого небаланса, а из разности сглаженных напряжений, пропорциональных амплитудам полуволн тока статора различных знаков с вычитанием из каждой полуволны задан0 ной величины (75-85% от уровня пускового тока) и, кроме того, - исключением апериодического небаланса путем выделения и компенсации апериодической составляющей в свободном переходном токе. Повышение чувствительности устройства и субгармонической составляющей тока электродвигателя повышает селективность его защиты, а именно исключает неселективные срабатывания при использовании устройства для

0

5

0

5

защиты двигателей существенно различной мощности, а следовательно, с различными уровнями свободного периодического тока, когда в известном устройстве за счет нечувствительности возможны ускоренные срабатывания в условиях пуска машины.

Кроме того, устройство имеет повышенную надежность функционирования, обеспечиваемую совмещением функций компаратора и ключа с самоудержанием одним операционным усилителем, имеющим свойства компаратора и триггера.

Формула изобретения

Устройство для токовой защиты асинхронного электродвигателя, содержащее трансформатор тока, первичная обмотка которого предназначена для включения в одну из фаз питающей сети, вторичная его обмотка через преобразователь ток-напряжение соединена с входами двух однополу- периодных выпрямителей положительной и отрицательной полуволн тока со сглажи- вающими конденсаторами и разрядными резисторами, выходы которых подключены к соответствующим входам элемента задержки, многоконтурного RC-аналога теплового состояния электродвигателя и формирова0

теля напряжения, пропорционального производной принужденного тока асинхронного электродвигателя, выход которого соединен с входом компаратора, другие входы которого соединены с соответствующими выходами многоконтурного / С-аналога теплового состояния электродвигателя, выход компаратора соединен с входом исполнительного органа, выход элемента задержки соединен с управляющим входом ключа, выход которого соединен с входами триггера-компаратора и органа компенсации апериодического тока, другой вход которого соединен с выходом инерционного звена, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности, селективности и надежности функционирования, в него дополнительно введены третий и четвертый однополупериодные выпрямители положительной и отрицательной полуволн тока, входы которых соединены с выходами вновь введенного ограничитеяя уровня сигнала, входом соединенного с выходом преобразователя ток-напряжение, выходы упомянутых выпрямителей подключены к соответствующим входам инерционного звена, а выходы триггера-компаратора

5 и элемента задержки подключены к соответствующим входам миогоконтурного RC- аналога теплового состояния электродвигателя.

0

Изобретение относится к области релейной защиты элементов электрических систем. Целью изобретения является повышение чувствительности, селективности и надежности функционирования. Цель достигается за счет выделения свободной составляющей тока машины фильтровым методом из сигнала, получаемого гашением большей части мгновенного значения пускового тока. После фильтрации свободных составляющих тока асинхронной машины осуществляется компенсация апериодической составляющей, выделяемой как разность амплитуд первого периода тока. Когда частота вращения ротора машины пренебрежимо мала, практически отсутствуют субгармонические составляющие токов. Тепловое состояние машины моделируется тремя апериодическими элементами с взаимной связью и ключевой схемой увеличения постоянной времени нагрева модели при успешном пуске машины. Контроль теплового состояния осуществляется для моделей обмоток статора и ротора. Устройство защиты обеспечивает пониженный сигнал небаланса частотой 50 Гц в выделяемых свободных составляющих тока. 2 ил.

Фиг.1

9 +

CN

-Пн-li

Сл.,3i j